A Contribution to the Development of an Active Particle Thermal Energy Storage System

Abstract

Während die Adaptation erneuerbarer Energiequellen eine tragende Strategie im Kampf gegen den Klimawandel ist, macht es die schwankende Erzeugung von Wind- und Solarkraft schwieriger, im Stromnetz die Balance zwischen Erzeugung und Verbrauch zu gewährleisten. Energiespeicher lösen dieses Problem, indem sie die notwendige Flexibilität im Energienetz zur Verfügung stellen und unterstützen damit die Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Die Technische Universität Wien hat ein thermisches Energiespeichersystem entwickelt, genannt sandTES, welches Wirbelschichtwärmetauscher verwendet um thermische Energie in Partikeln zu speichern. Zwei Teilaspekte dieser Wirbelschichtwärmetauscher werden in dieser Arbeit betrachtet: wie thermische Energie an die und von den Partikeln übertragen wird, und wie diese sich durch die Wirbelschicht bewegen. Messungen des Wärmeüberganges und der Partikelbewegung in der Wirbelschicht wurden durchgeführt um mathematische Modelle mit Hilfe der Dimensionsanalyse zu erstellen. Diese Modelle sind dazu in der Lage, verschiedene Einflussfaktoren des Wärmeüberganges und der Partikelbewegung in der Wirbelschicht miteinander in Verbindung zu bringen und zu beschreiben, wie sich diese Einflussfaktoren auf die jeweiligen Prozesse auswirken und wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Die Modelle ermöglichen eine genauere Analyse und Auslegung von Wirbelschichtwärmetauschern in sandTES Systemen.

The transition of the energy system to renewable energy sources has been a focus in the fight against climate change. However, an increasing penetration of variable renewable energy sources such as wind and solar energy makes balancing supply and demand in the electrical grid more difficult. Energy storage therefore plays a key role in providing the necessary flexibility and supports the integration of renewable energy sources. TU Wien developed a thermal energy storage system called sandTES that uses particles as storage material and a fluidized bed heat exchanger to charge the particles with thermal energy and release it again later. This thesis investigated two aspects of fluidized bed heat exchangers in sandTES systems: how thermal energy is transferred to and from the particles and how the particles move through the fluidized bed. Experiments that measured heat transfer and particle movement in fluidized beds formed the basis for the development of mathematical models using dimensional analysis. These models are able to relate different influencing factors of heat transfer and particle movement in fluidized beds, how they interact with each other, and how they impact the respective process. The models thus enable better analysis and design of fluidized bed heat exchangers in sandTES systems.