Stand der Technik und Forschung
Der Stand der Technik von Heißwasserspeichern ist in [1], [2], [3], [4], [5] dargestellt. Die drallbehaftete Beladung wurde zum DE- und EP-Patent angemeldet. Erste Ergebnisse sind in [6], [7], [8] zu finden.
Im Bereich der Hochtemperaturspeicher mit Phasenwechsel wird an unterschiedlichen Technologien gearbeitet. Im Temperaturbereich über 200°C kommen Salze und Salzmischungen besonders beim Einsatz in solarthermischen Kraftwerken zum Einsatz. Im Temperaturbereich zwischen 100 und 200 °C sind zurzeit nur wenige Phasenwechselmaterialien (PCM) verfügbar. Diese Salze, Salzmischungen, Salzhydrate und organische Verbindungen haben spezifische Grenzen bzw. Nachteile, die von den Kosten über die Speicherkapazität bis hin zur thermischen Stabilität dieser Materialien reichen.
Motivation
Im InnoBeS-Projekt wird zurzeit die drallbehaftete Beladung von Heißwasserspeichern für Fernwärmesysteme und Kraftwerke grundlegend entwickelt und untersucht. In diesem Projekt sind keine Versuche im Realmaßstab möglich. Diese Ergebnisse sollen in das Teilprojekt 10 übertragen werden. Hier besteht die Herausforderung, eine bestimmte Spreizung (Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf) zu erreichen, was durch bisherige Arbeiten unzureichend beachtet wurde.
Die Verwendung von Heißwasser spielt in den Teilprojekten 4 und 6 bei den Hochtemperatur-Wärmepumpen ebenfalls eine besondere Rolle. Jedoch sind die Spreizungen auf Grund der Anwendungsfälle deutlich niedriger. Beim konventionellen Einsatz von Heißwasserspeichern tritt folgender wesentlicher Nachteil auf, dass die Speicherkapazität massiv reduziert wird. Deswegen ist optional der Einsatz von verkapselten Phasenwechselmaterialen (PCM) zu überprüfen.
Ziele und Aufgaben
Dieses Teilprojekt verfolgt die Weiterentwicklung der Speicherung von Heißwasser in Druckbehältern für Fernwärmeanwendungen mit hohen Spreizungen zur Spitzenlastdeckung und von Heißwasser in Kombination mit Hochtemperatur-PCM mit niedrigen Spreizungen zur optimalen Versorgung von Industrieprozessen (z. B. Batchbetrieb). Damit sollen die Speicher an die Erfordernisse der Teilprojekte 4 und 6 angepasst werden.
Folgende Aufgaben sind geplant:
- Laborexperimente zu nächst im kleinen Maßstab und Simulationen,
- feldtechnische Erprobung mit zwei identischen Speichern bzw. mit und ohne Hochtemperatur-PCM bzw. mit und ohne Drallbeladung,
- erste detaillierte Messungen und Optimierungen im Großmaßstab,
- optionaler Einsatz als Speicheranlage in Verbindung mit den Teilprojekten 4 und 6.
Die Vorlaufforschung im Bereich der Materialwissenschaften und Wärmeübertragung wird hier genutzt und in den mittelgroßen Maßstab überführt (Einzelspeicher 100…400 m³).
Stand und Ergebnisse - Heißwasserspeicher
Die Arbeiten im Teilprojekt 10 bzgl. Heißwasserspeicher mit neuartigem Be- und Entladesystem (TUCtt) sind weit fortgeschritten. Derzeit erfolgen empirische Untersuchungen mithilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD). Im nachfolgenden Video wird die Simulation vorgestellt und neue Erkenntnisse bzw. die Vorteilhaftigkeit des neuartigen Be- und Entladesystems (drallbehaftete Beladung) in Abgrenzung zu marktüblichen Lösungen (herkömmliche Beladung) präsentiert.
Die Tätigkeiten zur Modellierung und detaillierten Simulation der Strömungseffekte im radialen Diffusor mit Leitelementen und im Speicher sind abgeschlossen. Die Ergebnisse wurden auf der District Heating and Cooling 2023 in Beijing und auf der DKV-Tagung 2023 in Hannover der Fachwelt vorgestellt. Ein weiterer Wissensgewinn ist durch die numerische Strömungssimulation nicht zu erwarten. Deshalb sind die theoretischen Arbeiten zunächst beendet. Eine praktische Umsetzung inkl. Experimente der drallbehafteten Beladung ist auf der Forschungsplattform geplant.
Stand und Ergebnisse - Wärmepumpen-Speicher-System
Durch die Entwicklungen im Projekt ist ein neuartiges Wärmepumpen-Speicher-System zur Patent- und Gebrauchsmusteranmeldung [9], [10] gebracht wurden. Ein Fachbeitrag beschreibt Motivation, Ziel, Aufbau und Funktionsweise. Um diesen Arbeitsstand zu erreichen, erfolgten umfangreiche theoretische Vorarbeiten (Einsatz von Simulation und analytischen Beziehungen). Die daraus hervorgegangenen Ergebnisse werden demnächst der Fachwelt auf der DKV-Tagung 2024 in Dresden mit folgenden Beiträgen vorgestellt:
- Urbaneck et al.: Wärmepumpen-Speicher-System zur Dampfbereitstellung – Vorstellung des Konzeptes,
- Wang et al.: Machbarkeitsuntersuchung für ein neuartiges Wärmepumpen-Speicher-System,
- Oestreich et al.: Wärmepumpen-Speicher-System zur Dampfbereitstellung – Auslegung des Hochtemperatur-Speichers.
Derzeit laufen die Planungen für die praktische Umsetzung des Wärmepumpen-Speicher-Systems als TP10-Demonstrator. Die Fertigung bzw. Bereitstellung der Komponenten und Bauteile ist in Kooperation mit unseren Praxispartnern aus der Region bzw. dem Industriebeirat (z. B. Fa. Thermofin) und dem Projektpartner (z. B. ILK Dresden) angestrebt.
Eine große Herausforderung stellt die Bereitstellung der technischen Randbedingungen sowie die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen, solange die Forschungsplattform nicht zur Verfügung steht, dar.
Veröffentlichungen
Oestreich, F.; Urbaneck, T.
Radial Diffuser with Curved Guiding Elements in Slim Hot Water Store - Detailed Simulation with CFD
EuroHeat&Power, English Edition, VDE Verlag (2023) Heft 3 S. 23-30. - ISSN 1613-0200-22698
Oestreich, F.; Urbaneck, T.
Swirl Loading of Hot Water Tanks - Detailed Simulation of the Flow in the Diffuser and Storage
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf
Wang, H.; Nefodov, D.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Process Heat Supply by Heat Pumps and District Heating
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Simulative Investigations of a Hybrid Storage Concept for Industrial Steam Heat Supply
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Simulationsstudie für die Dampfversorgung mit Wärmepumpen und Speichern
EuroHeat&Power, VDE Verlag (2023), Heft 10, S. 27-35. - ISSN 0949-166X-D9790F
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Simulative Investigations of a Hybrid Storage Concept for Industrial Steam Heat Supply
The 18th International Symposium on District Heating and Cooling, Peking, 03.09. bis 06.09. 2023. https://www.iea-dhc.org/fileadmin/public_documents/DHC2023_Conference_proceedings_CDHA.pdf
Oestreich, F.; Urbaneck, T.
Untersuchung der Strömungseffekte im radialen Diffusor mit Drallerzeugung
EuroHeat&Power, VDE Verlag (2023), Heft 11-12, S. 24-31. - ISSN 0949-166X
Wang, H.; Nefodov, D.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Feasibility Study Concerning Process Heat Supply in District Heating System with Heat Pump
EuroHeat&Power, English Edition, VDE Verlag (2024) Heft 1 S. 32-39. - ISSN 1613-0200-22698
Wang, H.; Nefodov, D.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Bereitstellung von Prozesswärme mit Wärmepumpen und Fernwärme
EuroHeat&Power, VDE Verlag 53. Jg. (2024), Heft 3, S. 33-41. - ISSN 0949-166X
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Speicherkonzepte für die industrielle Dampfversorgung
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161
Oestreich, F.; Urbaneck, T.
Drallbehaftete Beladung von schlanken Heißwasserspeicher - Detaillierte Simulation der Strömung im Diffusor und Speicher
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161
Wang, H.; Nefodov, D.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Bereitstellung von Prozesswärme mit Wärmepumpen und Fernwärme
Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein e. V. DKV (Hrsg.): Deutsche Kälte‐ und Klimatagung 2023 Hannover. Hannover, 2023 Tagungsband (Datenträger). – ISBN 978-3-932715-56-3. https://dkv.org/index.php?id=161
Urbaneck, T.; Nefodov, D.; Wang, H.; Oestreich, F.
Wärmepumpen-Speicher-Systeme für die Dampfversorgung – Vorstellung des Konzeptes
ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 60. Jg. (2024) Heft 6-7 S. 48-54. – ISSN 1865-5432
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Simulation Study for the Steam Supply with Heat Pumps and Storages
EuroHeat&Power, English Edition, VDE Verlag (2024) Heft 3 S. 32-39. - ISSN 1613-0200-22698
Oestreich, F.; Urbaneck, T.
Highly Accurate Simulation of the Flow Effects during Loading with Swirl
Enerstock 2024, 16th International Conference on Energy Storage; Kuznik, F. (Hrsg.). Lyon, 2024, Tagungsband, S. 256-259. – ISBN 978-2-9595978-0-0 DOI:10.5281/zenodo.13790499
Nefodov, D.; Wang, H.; Richter, M.; Berlin, R.; Urbaneck, T.
Selection of the storage system for industrial steam supply with heat pumps
Enerstock 2024, 16th International Conference on Energy Storage; Kuznik, F. (Hrsg.). Lyon, 2024, Tagungsband, S. 457-459. – ISBN 978-2-9595978-0-0 DOI:10.5281/zenodo.13790499
Wang, H.; Nefodov, D.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Theoretical investigations on using high-temperature heat pumps in combination with district heating networks
16th International Institute of Refrigeration-Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants. University of Maryland, College Park, Maryland, USA, 2024. DOI:10.18462/iir.gl.2024.1166
Quellen
- Lohse, R.; Urbaneck, T.; Brämer, C.; Platzer, B.: Effects during loading of hot water storages with a high aspect ratio. EuroHeat&Power, English Edition VWEW Energieverlag Vol. 9 (2012) Heft 3 S. 42-47. – ISSN 1613-0200
- Brämer, C.; Urbaneck, T.; Göppert, S.; Platzer, B.; Lohse, R.: Hot Water Storages – Influence of Geometry and Operation Parameters on Thermal Stratification. EuroHeat&Power, English Edition VWEW Energieverlag Vol. 9 (2012) Heft 4 S. 30-36. – ISSN 1613-0200
- Urbaneck, T.; Oppelt, T.; Sehwöster, I.; Bank, E. F.: Große Druckbehälter als thermische Energiespeicher, Teil 1: Vor- und Nachteile sowie Einsatzgrenzen. EuroHeat&Power, VWEW Energieverlag 47. Jg. (2018) Heft 11-12 S. 18-23. – ISSN 0949-166X
- Urbaneck, T.; Oppelt, T.; Sehwöster, I.; Bank, E. F.: Große Druckbehälter als thermische Energiespeicher, Teil 1: Vor- und Nachteile sowie Einsatzgrenzen. EuroHeat&Power, VWEW Energieverlag 47. Jg. (2018) Heft 11-12 S. 18-23. – ISSN 0949-166X
- Urbaneck, T.: Warm- und Heißwasserspeicher - Stand der Technik und Entwicklungen. ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 56. Jg. (2020) Heft 06-07 S. 50-54. – ISSN 1865-5432
- Findeisen, F.; Mücke, J. M.; Winkler, T.; Kroll, U.; Platzer, B.; Urbaneck, T.: Beladesysteme für thermische Energiespeicher – Neue konstruktive Ansätze. 25. Energie-Symposium Nutzung regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik; Luschtinetz, T.; Lehmann, J. (Hrsg.), Stralsund, 2018, Tagungsband, S. 50-59. – ISBN 978-3-9817740-4-7
- Kroll, U.; Mücke, J.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radiale Diffusoren mit Drallerzeugung für schlanke Speicher – Teil 1: Grundlagen und Aufbau des Versuchsstands. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik VDI Fachmedien 71. Jg. (2020) Heft 5-6 S. 43-47. – ISSN 1436-5103
- Kroll, U.; Mücke, J.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radiale Diffusoren mit Drallerzeugung für schlanke Speicher – Teil 2: Vorstellung und Auswertung der experimentellen Ergebnisse. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik VDI Fachmedien 71. Jg. (2020) Heft 7-8 S. 56-61. – ISSN 1436-5103
- Urbaneck, T.; Nefodov, D.; Wang, H.: Anlage und Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers. DE 10 2023 117 382.0, Patentanmeldung vom 30.06.2023
- Urbaneck, T.; Nefodov, D.; Wang, H.: Anlage und Verfahren zur Energie- und/oder Stoffversorgung mindestens eines Verbrauchers. DE 20 2023 103 656, Gebrauchsmusteranmeldung vom 30.06.2023, Eintragung am 22.08.2023
