Charakterisierung von thermischen Schichtspeichern mit Füllkörpern und Salzschmelze

Diese Arbeit untersucht geschichtete thermische Energiespeicher unter Verwendung von Füllkörpern und Salzschmelze als Wärmeträger und deren Optimierung. Ziel ist es, die Effizienz und Wirtschaftlichkeit dieser Speichertechnologie zu verbessern, um ihre Anwendbarkeit zur Speicherung erneuerbarer Energie und Abwärme für die bedarfsgerechte Bereitstellung von Wärme für industrielle Prozesse zu fördern.
Zunächst wird ein zweidimensionales Modell eines Salzschmelzespeichers ohne Füllkörper vorgestellt und anhand experimenteller Daten validiert. Es zeigt sich, dass die Annahme einer idealisierten, homogenen Strömungsverteilung nicht zielführend ist, um realistische Temperaturprofile zu modellieren. In einer Sensitivitätsstudie wird ein Doppelplatten-Diffusor hinsichtlich seiner Eintauchtiefe und seines Durchmessers optimiert, wobei die Eintauchtiefe des Verteilers sich als besonders relevant darstellt.
Zur Durchführung von Parameterstudien wurde im Weiteren ein vereinfachtes, eindimensionales Modell eines Schichtspeichers mit einer Schüttung von Füllkörpern erstellt. Die Untersuchungen anhand dieses Modells zeigen im Ergebnis, dass ein höherer Hohlraumanteil und kleinere Füllkörper zu vielversprechenderen Speicherkennzahlen führen. Die Form der Füllkörper hat nur bei größeren Füllkörpern einen relevanten Einfluss. Diese Erkenntnisse werden durch eine experimentelle Validierung des Modells mit einem wasserbasierten System gestützt, das unter der Berücksichtigung physikalischer Ähnlichkeiten zu einem Salzschmelzesystem dimensioniert und betrieben wurde. Der Einfluss der Durchmischung im Einlassbereich des Speichers über und unterhalb der Schüttung aus Füllkörpern wird ebenfalls untersucht. Dabei zeigt sich, dass diese Zone der Durchmischung nicht nur die Initialisierung der Thermoklinen, sondern auch die Leistungskennzahlen im zyklischen Betrieb beeinflusst.
Ein im Kontext der Untersuchungen erstellter experimenteller Aufbau mit einem geschichteten thermischen Energiespeicher und einer Solarsalzmischung als Wärmeträger erlaubt die Durchführung von Versuchen sowohl mit als auch ohne Füllkörper. Anhand der Versuche kann der Effekt der Degradierung der thermischen Schichtung während des Be- und Entladeprozesses durch die Füllkörper sowie der stabilisierende Effekt dieser auf die thermische Schichtung zu Stillstandszeiten demonstriert werden. Die Leistungskennzahlen des Speichers im Technikumsmaßstab mit einem Volumen von 0,9 m3 zeigen sich robust gegenüber der Beladegeschwindigkeit und der absoluten Temperaturspreizung, aber sensitiv gegenüber Schwankungen in der Einlasstemperatur. Aus den experimentellen Ergebnissen können vielversprechende KPIs für den zyklischen Betrieb abgeleitet werden. Der in vorangegangenen Kompatibilitätstests als kritisch bewertete Anstieg an Chrom(VI)-Ionen im Salz in Kontakt mit den Füllkörpern bei bis zu 550 °C kann bei einer Analyse des Salzes aus den Tests des Prototyps im Technikumsmaßstab nicht beobachtet werden, wobei der Testbetrieb nur bis 400 °C erfolgte. Insofern sollte die Langzeitstabilität weiter untersucht werden.
Diese Arbeit liefert neben den Erkenntnissen aus modellbasierten Parameterstudien eine wichtige experimentelle Datenbasis für die weitere Forschung und Entwicklung im Bereich der thermischen Hochtemperatur-Energiespeicher. Es wird aufgezeigt, dass durch die Optimierung von Diffusoren und Füllkörpern eine Steigerung der Effizienz und Stabilität dieser Systeme erzielt werden kann. Es wird demonstriert, dass die Speicher nahe der erwartbaren, theoretisch möglichen Speicherkennzahlen betrieben werden können. Die Frage nach einem kostengünstigen, langzeitstabilen Füllmaterial bleibt allerdings weiter offen, ebenso wie Fragen zur thermomechanischen Belastung der Tankwand im zyklischen Betrieb und Details zur technischen Lösung für die Skalierung im Industriemaßstab sowie zur Zugänglichkeit für Wartung und Reparatur solcher Speichersysteme. Diese Punkte sollten in weiteren Arbeiten geklärt werden. Die vorliegende Arbeit bildet die notwendige Grundlage für detaillierte Potenzialanalysen verschiedener Speicherlösungen hinsichtlich effizienter und wirtschaftlicher Anwendungen in der Industrie. Die Arbeit kann so dazu beitragen, die Dekarbonisierung des Wärmesektors weiter voranzutreiben.