Modellierung des Phasenwechselanteils eines Hybridspeichers mittels Finite Elemente Methode

Abstract

As a consequence of the progressive decarbonisation process and the increase of the share of renewable energy sources in the grid, new approaches to store energy and to increase the efficiency of industrial processes have to be developed. Thus, increasing numbers of latent heat thermal energy storages are used, which exploit phase change materials to store a high amounts of energy during the phase change. A novel approach to increase the efficiency of the commonly used Ruths steam storage is currently investigated in the project HyStEPs, a project funded by the Austrian Research Promotion Agency (FFG) with grant number 868842. In this concept, a container filled with phase change material is placed at the shell surface of the Ruths steam storage. In this diploma thesis, contributing to the HyStEPs project, the phase change material of this hybrid storage is modelled in two dimensions, using the finite element method. The apparent heat capacity method is applied in a MATLAB implementation, considering heat transfer by both conduction and natural convection. Furthermore, the developed code can handle any desired layout of materials arranged on a rectangular domain. The model could be successfully validated using an analytical solution and experimental data, and a cross-validation showed very good agreement with the results of the CFD software ANSYS Fluent. A parameter study was conducted and the behaviour of different dimensions and orientations of the phase change material cavity was investigated. The effect of natural convection was found to lead to significantly varying behaviour of the studied cavities with different orientation during the charging process, while it was found to be negligible during the discharging process.

Zum Vorantreiben der Energiewende werden neue Energiespeicher-Technologien zur Effizienzsteigerung von Industrieprozessen benötigt. Deshalb finden Latentwärmespeicher, welche die hohe Latentwärme von Phasenwechsel-Materialien ausnutzen, um Energie zu speichern, immer mehr Anwendung. Eine neuartige Methode, um die Effizienz von vielverwendeten Ruths-Dampfspeichern zu erhöhen, wird derzeit im Projekt HyStEPs verfolgt, das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unter der Grant-Nummer 868842 teilfinanziert wird. Dieses Konzept beschreibt die Ummantelung bestehender Dampfspeicher mit Phasenwechselmaterial. In dieser Diplomarbeit wurde der Phasenwechselanteil des HyStEPs Hybridspeichers mittels Finite Elemente Methode zweidimensional modelliert. Die apparent heat capacity Methode wurde in einer MATLAB Implementierung angewendet, wobei sowohl Wärmeleitung als auch natürliche Konvektion berücksichtig werden. Mit dem entwickelten Code ist es außerdem möglich, jede beliebige Materialstruktur in einer rechteckigen Anordnung zu simulieren. Das Modell konnte durch Vergleich mit einer analytischen Lösung und experimentellen Daten sowie durch eine Kreuzvalideriung mit der CFD Software ANSYS Fluent, erfolgreich validiert werden. Im Rahmen einer Parameterstudie wurde das Verhalten des Phasenwechselanteils für verschiedene Dimensionierungen und Orientierungen untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass der Einfluss von natürlicher Konvektion während des Beladens des Speichers deutlich von der Orientierung abhängt, während diese im Entladevorgang vernachlässigbar ist.