Charakterisierung eines Hybridspeichers zur Dampfbereitstellung in industriellen Prozessen

Um die Energieeffizienz von Gefälle-Dampfspeichern zu steigern und Power-to-Heat in industriellen Dampfprozessen zu ermöglichen, wurde am Competence Unit "Sustainable Thermal Energy Systems" des Austrian Institute of Technology GmbH (AIT) ein Hybridspeicherkonzept erarbeitet [1-3]. Dieses sieht die Ummantelung eines konventionellen Gefälle-Dampfspeichers mit einem Latentwärmespeicher vor, wobei der Latentwärmespeicher elektrisch beheizt werden kann. Zentrale Aufgabe dieser Arbeit war die Planung eines Prüfstandes, um die industrielle Anwendbarkeit des Konzeptes zu testen. Hierzu wurde unter anderem ein Fließschema des Prüfstandes erstellt, die benötigten Komponenten beschrieben, der Gefälle-Dampfspeicher ausgelegt und ein Konzept für die Befestigung des Latentwärmespeichers am Dampfspeicher erstellt. Zudem wurde ein einfaches Simulationsmodell des Hybridspeichers erstellt und diskutiert, welches die Interpretation der Messergebnisse des Prüfstandes erleichtern soll. Für die spätere Planung von Hybridspeichern auf Basis der Messergebnisse wurde des Weiteren auf die relevanten Upscaling-Effekte eingegangen. Abseits der Prüfstandplanung wurden einzelne Aspekte des Latentwärmespeichers und seiner Interaktion mit dem Gefälle-Dampfspeicher genauer betrachtet. Zunächst wurden unterschiedliche Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmetransports in Latentwärmespeichern recherchiert, wobei die Komprimierung einer Mischung aus Graphit- und PCM-Partikeln nach Acem et.al [4] sowie das Sandwich-Konzept nach Steinmann und Tamme [5] am vielversprechendsten für die Verwendung im Hybridspeicher scheinen. Zum genaueren Verständnis des thermischen Verhalten von Latentwärmespeichern nach dem Sandwich-Konzept wurde eine entsprechende Untersuchung durchgeführt. Auf Basis von Simulationen unterschiedlicher Variationen des Sandwich-Konzeptes wurde eine Approximationsfunktion zur Vorhersage der Phasenwechselzeit eines solchen Latentwärmespeichers erstellt. Des Weiteren wurde der Wärmedurchgangskoeffizient zwischen Gefälle-Dampfspeicher und Latentwärmespeicher analysiert. Abhängig von der Belastung des Dampfspeichers und der betreffenden Phase im Dampfspeicher ergeben sich Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen Wasser und PCM von mindestens 20Wm2⋅K (Entladen) bzw. 530Wm2⋅K (Beladen) in der Dampfphase und mindestens 160Wm2⋅K in der flüssigen Phase. To increase the energy efficiency of a Ruths accumulator and to enable Power-to-Heat in industrial steam processes, the Competence Unit "Sustainable Thermal Energy Systems" of the Austrian Institute of Technology GmbH (AIT) has developed a hybrid storage concept [1-3]. Therefore, a conventional Ruths accumulator is surrounded by latent heat storage, which can be electrically heated. The central task of this thesis was to plan a test stand for the industrial usage of the hybrid storage unit. For this purpose, a P&I-Diagram was created, the necessary components were defined, the Ruths accumulator was engineered and the coating with the latent heat storage was designed. In addition, a simple model of the hybrid storage was simulated and discussed to simplify the interpretation of the experimental results of the test stand. For the future planning of hybrid storage units the upscaling effects of the test results were also discussed. Apart from the planning of the test stand, various aspects of the latent heat storage unit and its interaction with the Ruths storage were analysed. First, several methods to improve the heat transport in the latent heat storage unit were researched. Cold compression of a mixture of graphite particles and PCM powder according to Acem et. al. [4] and the sandwich concept according to Steinmann und Tamme [5] were the most promising methods to use in the hybrid storage. The thermal behaviour of a latent heat storage according to the sandwich concept was investigated. Based on simulations of different variations of the sandwich concept, an approximation function was created that can predict the the needed time for phase change of such latent heat storage units. Furthermore, the overall heat transfer coefficient between the Ruths accumulator and the latent heat storage unit was analysed. According to the operation mode of the Ruths accumulator, the minimal overall heat transfer coefficient between water and PCM ranges from 20Wm2⋅K (unloading) to 530Wm2⋅K (loading) for the steam phase and from 160Wm2⋅K (unloading) to 180Wm2⋅K (loading) in the liquid phase.