Modellierung und Simulation von thermischen Speichern

Abstract

Schwindende Vorräte an fossilen Energieträgern und steigende Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre, fordern immer mehr, einen schonenderen und umweltfreundlicheren Umgang mit vorhandenen Ressourcen. Eine effizientere Nutzung dieser Energieträger und der Ausbau regenerativer Energieanlagen ist nur in Verbindung mit der Speicherung von Energie, über kurze und längere Zeiträume, möglich bzw. sinnvoll. Das zeitliche Missverhältnis zwischen Energieangebot und -nachfrage muss ausgeglichen werden. In dieser Arbeit werden die thermodynamischen Vorgänge in thermischen Schichtspeichern untersucht. Durch Einführen einer effektiven Wärmeleitfähigkeit, können auftretende freie Konvektionen im Speichermedium, in ein eindimensionales Wärmeleitungsproblem übergeführt werden. Zur Beurteilung der Strömungsform, während eines Be- bzw. Entladevorgangs, ist die Richardson-Zahl gut geeignet. Für hinreichend große Werte kann von einer idealen Kolbenströmung im gesamten Speicher ausgegangen werden. Als Modellgleichung resultiert die Transportgleichung der thermischen Energie. Mit Hilfe der Finite-Volumen-Methode, werden auf Basis dieser Erkenntnisse, numerische Modelle zur instationären Simulation solcher Speicher erstellt. Unter vorgegebener Betriebsführung, ist dadurch eine Vorhersage der Temperaturverteilung und Effizienz in Abhängigkeit von der Zeit möglich. Integriert man das Modell beispielsweise, in ein bereits modelliertes thermisches Netz oder in ein häusliches Heizsystem, so kann das Verhalten des Gesamtsystems analysiert und beurteilt werden. Dadurch ist es möglich, die Investitionskosten des realen Speichers, den durch die Integration zu erwartenden Energieeinsparungen, gegenüberzustellen.

Due to decreasing supplies of fossil fuels and rising carbon dioxide concentrations in the atmosphere, milder and more environmentally friendly use of these resources are becoming more and more important. A more efficient use of energy sources and the development of renewable energy systems is only in conjunction with the storage of energy, over short and long periods of time, possible and useful. The temporal mismatch between energy supply and demand have to be balanced. In this paper, the thermodynamic processes in thermally stratified storages are studied. Occurring free conventions of the storage medium, can be converted into a one-dimensional heat conduction problem, by establishing an effective thermal conductivity. The Richardson number can be used, to assess the type of flow during a loading or unloading period. For sufficiently large values, an ideal plug flow for the entire storage can be assumed. The model equation results as the transport equation of thermal energy. Based on the findings, the development of numerical models, for the transient simulation of such storages, is carried out by using the finite volume method. With these models, a prediction of the temperature distribution and efficiency, as a function of time, can be made, for predefined conditions of operation. Integration of the storage model, for example in an already modeled thermal network or in a domestic heating system, makes it possible, to analyze the behavior of the overall system. Because of that, the anticipated cost reductions due to energy savings, can be contrasted with the investment costs of the real storage.