Untersuchungen zur thermischen Energiespeicherung an einem Latentwärmespeicher-Einrohr-System (LESY 2)

Abstract

Mit steigender Nachfrage nach Effizienzund Flexibilitätssteigerung in der Energiewirtschaft sowie einem zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien im angebotenen Strommix, wird, in näherer Zukunft, Energiespeichern, aufgrund ihrer Fähigkeit schwankendes Energieangebot und -nachfrage ausgleichen zu können, eine immer größere Rolle zukommen. In Bereichen wo Energie in Form von Wärme auftritt, sind besonders thermische Energiespeicher prädestiniert diese Funktion auszuüben. Eine Form der thermischen Speicher nutzt die Phasenwechselwärme als primären Speichermechanismus. Obwohl diese sogenannten latenten Wärmespeicher weitaus höhere Energiespeicherdichten als sensible Speicher besitzen, sind sie, mangels ausreichendem Wissensstands, derzeit im großindustriellen Maßstab noch in Erprobung. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein latentes Speichersystem untersucht um einen Beitrag auf diesem Forschungsgebiet zu leisten. Zu diesem Zweck wurde ein Latentwärmespeicher-Einrohrsystem (LESY) mit 280 kg Natriumnitrat (NaNO3) als Speichermaterial herangezogen. Dieses Speichermaterial besitzt eine Schmelztemperatur von 306 C und eine Phasenwechselwärme von 179,6 kJ/kg. Zur Steigerung des Wärmetransports wurde eine neuartige Wärmetauschergeometrie bestehend aus einer Kombination längs und quer gerichteter Aluminiumrippen verwendet. Als Wärmequelle und -senke des experimentellen Aufbaus diente eine Thermoölanlage mit Therminol VP-1 als Wärmeträgerfluid. Ziel der durchgeführten Messungen war das dynamische Verhalten des Wärmespeichers, sowie Einflüsse von Wärmeträgerfluidmassenstrom und dessen Temperatur zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde die Temperaturverteilung im Speicher und die Vorund Rücklauftemperatur des Wärmeträgerfluids gemessen. Im weiteren Verlauf wurden aus diesen Temperaturen Leistungsund Energieveläufe, sowie Kenngrößen des Speichers abgeleitet. Um die Güte des Wärmetransportes zwischen Wärmeträgerfluid und Speicher zu bewerten, wurde ein Wärmedurchgangskoeffizient definiert. Als Vergleichsgröße wurde eine Messung mit einem Massenstrom von 1kg/s und einer Vorlauftemperatur von 30 C, im Bezug zum Schmelzpunkt des Speichermaterials, durchgeführt. Für diese konnte eine Beladekapazität von 25,39 kWh gemessen werden, von der 18,81 kWh wieder ausgespeichert werden konnten, was einem Wirkungsgrad von 74,1 % entspricht. Im Vergleich zu einer früheren Rippengeometrie, mit rein längs gerichteten Rippen, konnte ein um 26,7 % beschleunigter Schmelzvorgang beobachtet werden, welcher die Ergebnisse nummerischer Simulationen bestätigte. Zur Messung des Massenstromeinflusses des Wärmeträgermediums wurde dieser sukzessive von 1 kg/s, mit einer Schrittweite von 0,5 kg/s, auf 3 kg/s erhöht. Als Ergebnis dieser Messungen, konnte ein, mit höherem Massenstrom, verbesserter Wärmeübergang nachgewiesen werden. Obwohl kein Einfluss auf die Beladekapazität gemessen wurde, konnte der Wirkungsgrad, aufgrund höherer ausgespeicherter Wärmemengen, auf 86,5 % bei 3kg/s gesteigert werden. Um den Einfluss der Vorlauftemperatur zu bestimmen, wurde diese mit 20 C, 30 C und 40 C um den Schmelzpunkt variiert. Mit Variation der Vorlauftemperatur konnten höhere einund ausgespeicherte Wärmemengen, aufgrund höherer sensibler Anteile und ein Einfluss auf den Wärmtransport festgestellt werden, welcher sich mit niedrigeren Vorlauftemperaturen verschlechterte. Bei niedrigerer Vorlauftemperatur fiel dadurch der Wirkungsgrad von 74,9 % bei 40 C auf 63,9 % bei 20 C ab. Abschließend kann das erfolgreiche Erreichen aller gesetzten Ziele dieser Arbeit festgestellt werden, was weitere Erkenntnisse auf dem Gebiet der latenten Wärmespeicherung liefert. Bis dieser Technologie jedoch der Durchbruch für den großflächigen Einsatz in technischen Anlagen ermöglicht wird, bedarf es noch reichlich Forschungsund Entwicklungsarbeit. Das Potential dafür ist aber mit Sicherheit vorhanden.

Todays energy economy is driven by an ongoing rising demand for higher flexibility and efficiency. With their property of balancing volatile energy production as well as it`s consumption, energy storage systems can satisfy these needs. Especially in fields where energy is handled in form of heat, thermal energy storage is predestined for usage. One method of storing energy in form of heat is to use the heat of fusion of a material as the primary storage mechanism. Although these so called latent heat thermal energy storage systems can provide far higher energy densities than sensible ones, usage in an industrial scale, outside of research plants, is not yet reached. This is mainly caused by the far more complicated handling of such systems in comparison to sensible energy storage. Hence, further research is needed. To contribute to this field of research, an experimental investigation was carried out, utilizing 280 kg of sodium nitrate as storage material. This material offers a melting temperature of 306 C and a latent storage capacity of 179.6 kJ/kg. The storage system used, was a shelland tube-type storage with a single tube in the center of the storage. To increase the heat flux into the storage material, a novel fin geometry around the central-tube was applied, using a combination of longitudinal and transversal fins. As heat source and sink for the experimental setup, a thermal oil plant with Therminol VP-1 as the heat transfer fluid (HTF) was used. The main goal of the present study was to investigate the dynamic behavior of this storage system, as well as the influence of the HTF mass flow and its temperature on this behavior. To ensure proper evaluation, the temperature distribution within the storage material as well as HTF mass flow and temperature have been measured. Energyand power-trends were calculated using this data. To quantify the heat transfer between HTF and storage, a heat transmission coefficient was defined. A test phase using 1 kg/s mass flow and a HTF temperature of 30 C around the melting point was used as a benchmark. A storage capacity of 25.39 kWh could be measured of which 18.81 kWh could be regained. This leads to a storage efficiency of 74.1 %. In comparison to a former fin geometry utilizing longitudinal fins only, a 26,7 % accelerated melting process was observed which corresponds to numerical simulation results. To measure the mass flow influence, measurements with varied values were carried out. Values were varied between 1 kg/s and 3 kg/s. As result an improved heat transmission with higher mass flow can be confirmed. Although this had no influence on the amount of stored energy, the storage efficiency could be raised from 74.1 % at 1 kg/s to 86.5 % at 3 kg/s due to higher discharge. To investigate the influence of the HTF temperature measurements, using temperatures of 20 C, 30 C and 40 C around the melting temperature, were carried out. Due to higher sensible heat ratios in the stored energy, higher storage capacities could be measured. An influence on the heat transmission could be detected, leading to declining heat transport at lower temperature spreads. This led to a downfall of the storage efficiency from 74.9 % at 40 C to 63.9 % at 20 C. In conclusion, a contribution to the research on latent heat was achieved, gaining the results presented in this study which exhibit the high potential of this type of storage system for future usage.