Motivation
Die deutsche Industrie verbraucht pro Jahr rund 440 Mrd. Kilowattstunden Prozesswärme, von denen aktuell nur 6 % aus regenerativen Energieträgern erzeugt werden. Zur Erzeugung regenerativer Prozesswärme bei Temperaturen oberhalb 100 °C kommen nur Bio-Brennstoffe oder Ökostrom infrage. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, durch gezielte Abwärmenutzung den Prozesswärmeverbrauch und die damit einhergehenden klimaschädlichen Emissionen zeitnah deutlich zu senken. Sowohl zur zeitversetzten Wiederverwendung von Prozessabwärme als auch zur zeitversetzten Erzeugung von Prozesswärme aus Überschuss-Ökostrom (power-to-heat) werden Hochtemperatur-Wärmespeicher benötigt. Diese Speicher müssen sowohl wärmetechnisch als auch wirtschaftlich effizient sein.
Ziele
Das Projekt setzt sich zum Ziel, sensible Zweistoff-Wärmespeicher für einen Temperaturbereich von 100 °C bis 350 °C zu entwickeln und für den industriellen Maßstab zu skalieren. Sensible Wärmespeicher nutzen die Wärmekapazität eines Speichermediums im Zusammenspiel mit einer aufgeprägten Temperaturdifferenz. Anders als beim klassischen Warmwasserspeicher kommen in Zweistoff-Wärmespeichern je ein flüssiges (Thermoöl) und ein festes Speichermedium (z.B. Mineralgestein) zum Einsatz, wobei das flüssige Medium gleichzeitig als Wärmeträger fungiert. Neben der Auswahl geeigneter Speichermedien werden im Projekt Speicherkonfigurationen im Labormaßstab optimiert und daraus Randbedingungen für eine wärme- und strömungstechnische Simulation abgeleitet. Diese wird dann zur Skalierung der Speichertechnologie auf den Industriemaßstab genutzt.
Methoden
Aktuell erfolgt ein detailliertes Materialscreening bezüglich geeigneter Feststoffe für die Speicher inklusive der (teils experimentellen) Bestimmung der benötigten Stoff- und Transportgrößen. Weiterhin werden Kompatibilitätstests der Feststoffe mit Thermoölen speziell unter Temperaturwechselbedingungen durchgeführt. Danach wird eine Laborversuchsanlage entwickelt und umgesetzt, die die Untersuchung der Strömung und des Wärmeüberganges in einer von Thermoöl durchströmten Feststoffschüttung unter praxisnahen Bedingungen erlaubt. Daraus werden Kenngrößen abgeleitet, die dann für numerische Simulationen (Comsol Multiphysics) der Strömungs- und Wärmetransportverhältnisse in großskaligen Speichern genutzt werden. Nach deren konstruktiver Auslegung erfolgt die Fertigung entsprechender Speicherdemonstratoren und deren Test und Optimierung im Zittauer Kraftwerkslabor.
Ergebnisse
Erste Ergebnisse zu möglichen Feststoffen für die Schüttung in Zweistoff-Speichern und zu deren thermophysikalischen Stoff- und Transportgrößen wurden im Rahmen einer Bachelorarbeit generiert.
