Titelbild Teilprojekt 10

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).

Lösungsansatz

Die Umsetzung wird zurzeit geplant. Die Information erfolgt umgehend.

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.

Geplante Arbeiten beschäftigen sich mit der Modellierung und detaillierten Simulation der Strömungseffekte im radialen Diffusor mit Leitelementen und im Speicher. Die Ergebnisse werden auf der District Heating and Cooling 2023 in Beijing und auf der DKV-Tagung 2023 in Hannover der Fachwelt vorgestellt.

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

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

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

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

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

Quellen

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  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
  8. 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

 

Kontakt

Bild - Thorsten Urbaneck

Prof. Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck

Projektkoordinator und Teilprojektleiter 10

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Professur Technische Thermodynamik
09107 Chemnitz

Bild - Thomas Haussmann

Thomas Haussmann

 

Fraunhofer-Institut
für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

 
KETEC - Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik