dc.description.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.
de