Thermoelektrische Energieumwandlung : eine Aufarbeitung und Bewertung der verschiedenen Verfahren

Abstract

Jüngst wurden thermoelektrische Energiespeicher (kurz TEES) für den Ausbau der Speicherkapazitäten als Alternative zu Pumpspeicherwerken, sowie zu adiabaten Druckluftspeichern publiziert. Der sinnvolle Einsatz von Energiespeichern in der Energiewirtschaft erfordert einerseits geringe Investitionskosten und gleichermaßen einen hohen Gesamtwirkungsgrad. Der Gesamtwirkungsgrad TEES ist von den maximalen Prozesstemperaturen abhängig. Kompetitive TEES erfordern demzufolge hohe Speichertemperaturen. Oben genannte Studien fokussieren sich auf Wasser als Speichermedium. Wasser ist einerseits ein sehr günstiges Speichermedium mit einer hohen spez. Wärmekapazität, andererseits bedingen die Stoffeigenschaften eine geringe Verdampfungstemperatur bei Umgebungsdruck, wodurch die maximale Speichertemperatur limitiert ist. SandTES [6] verwendet wegen Sand als Speichermedium. Die maximale Speichertemperatur dieses Energiespeichertyps ist nicht durch das Speichermedium limitiert, sondern durch die Materialeigenschaften von hitzebeständigem Stahl. Um Stoff- und Wärmeübergangseigenschaften des Speichers zu gewährleisten wird Sand fluidisiert. Die vorliegende Arbeit analysiert eine mögliche Anwendung von sandTES für die Steigerung des Gesamtwirkungsgrades thermoelektrischer Energiespeicher. Kapitel 2 erörtert die theoretische Grundlage für Energiespeicher. Kapitel 3 bietet eine mathematische Erklärung der thermodynamischen Prozesse. In Kapitel 4 werden mittels einer Literaturrecherche mögliche Topologien TEES analysiert und verglichen. Um den erreichbaren Gesamtwirkungsgrad zu analysieren konzentriert sich die Arbeit auf die beiden besten Topologien. Abschließend werden in Kapitel 5 durch energetische und exergetische Simulationen Steigerungspotentiale des Gesamtwirkungsgrades abgeleitet.

Recent investigations analysed thermoelectric energy storage (TEES) as an alternative large scale energy storage to pumped hydro storage and compressed air energy storage. Successful implementation of energy storage devices into the grid requires on the one hand low investment costs and, at the same time, high round trip efficiencies. Market competitive TEES requires high process temperatures and therefore high storage temperatures. Recent studies focus on water as storage medium. Although water is cheap and has a high heat capacity, it has a very low evaporation temperature at ambient pressure. Thus, the low level storage temperature severely reduces the potential round trip efficiency. SandTES [6] uses sand as storage medium, because of its high melting temperatures. The maximum storage temperature is limited by the creep strength of heat-resistant steel. In order to achieve high storage efficiency sand is fluidised, thus permitting storage temperatures at a comparatively high level. The present work analyses the possible application of sandTES in enhancing the roundtrip efficiency of thermoelectric energy storage systems. Chapter two lays out the theoretical basis for energy storage. Chapter three offers a mathematical illustration of thermodynamic processes. Subsequently, chapter four analyses and compares system parameters of existing topologies based on a literature research. In order to analyse round trip efficiency, this work focuses on the two most feasible topologies. Finally, chapter five looks at energetic and exergetic simulations in order to increase round trip efficiency.