Strömungs-Ungleichverteilung in Hochtemperatur- Wärmespeichern für den Kraftwerkseinsatz. Volker Dreißigacker

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1 Strömungs-Ungleichverteilung in Hochtemperatur- Wärmespeichern für den Kraftwerkseinsatz Volker Dreißigacker

2 Überblick Hochtemperatur-Wärmespeicher Einsatz von HT-Wärmespeichern Speichertypen Untersuchung der Strömungsverteilung am Eintritt in das Speicherbett bei direktdurchströmten HT- Wärmespeichern Axiale Einströmung Radiale Einströmung Ergebnisse Zusammenfassung Folie 2 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

3 Einsatz von HT-Wärmespeichern Einsatz von Hochtemperatur-Wärmespeicher ( C) Kraftwerkskonzepte zur Verstromung erneuerbarer Energie Großmaßstäbliche Stromspeicherung Nutzung von Industrieprozesswärme Flexibilisierung fossiler Stromerzeugung Abwärmenutzung Druckluftspeicherkraftwerke Solarthermische Kraftwerke Folie 3 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

4 HT-Wärmespeicher Speicherkonzepte und Speicheranforderungen Speicherkonzepte Sensible Wärmespeicher Dampfspeicher ( C) Flüssigsalz Speicher ( C) Betonspeicher (bis 500 C) Regenerator-/Schüttspeicher (bis 1300 C) Latent-Wärmespeicher Chemische Speicher Flüssigsalz Speicher Betonspeicher Speicheranforderungen Hohe Speicherkapazität Hohe Wärmeleistung Effektive Wärmeübertragung Kosten Lebensdauer Regeneratorspeicher Folie 4 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

5 Regeneratorspeicher Speicherinventar und Auslegungskriterien Hexagonalstein Wabenkörper Schüttung Ziegelstein Auslegungskriterien Erfüllung thermischer Voraussetzungen (Entladecharakteristik, Speicherausnutzung, ) Mechanische Stabilität (Isolation, Inventar) Geeignete Strömungsverteilung über das Speicherbett Folie 5 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

6 Strömungsverteilung Problematik und Aufgabenstellung Problem Nicht oder schlecht durchströmte Gebiete der Speichermasse Thermisch unterschiedlich starke Nutzung der Speichermasse Offene Fragen Wie sieht die Strömungsverteilung am Eintritt in das Speicherbett aus (keine Quervermischung)? Ziel Gleichmäßige Durchströmung der Speichermasse Geeignete Verteilerstrukturen Receiver Hot Air 680ºC Randbedingung Gasturbinenprozess für Solarturmkraftwerk Thermal Storage Steam Generator ~ Heliostat Field Blower Cold Air 110ºC Blower Steam 65 bar, 460ºC Power Block Folie 6 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

7 Strömungsverteilung Geometrieeinfluß Axiale Einströmung Einfluß des Druckverlustes im Speicherbett Einfluß der Verteilergeometrie H/D-Verhältnis Einströmdurchmesser Verteilerhöhe Einströmgeschwindigkeit Radiale Einströmung Strömungsvergleichmäßigung durch Einsatz von Strömungswiderständen Segmentierter Aufbau Folie 7 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

8 CFD-Simulation der Strömungsverteilung Annahmen zur Modellerstellung Separate Betrachtung von Strömungsabschnitten axiale Einströmung: Verteiler + Speicherbett radiale Einströmung: Verteiler + Speicherbett Vereinfachte Darstellung der wärmeübertragenden und strömungstechnischen Vorgänge Poröses Medium Keine Wärmeverluste (adiabat) Folie 8 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

9 CFD-Simulation der Strömungsverteilung Beurteilung der Strömungsvergleichmäßigung Beurteilung der Strömungsverteilung über dimensionslosen Parameter γ γ-parameter: relative Abweichung der Strömungsgeschwindigkeit Maximale Gleichverteilung bei γ=1 Maximale Ungleichverteilung bei γ=0 Geschwindigkeit [m/s] γ Mit Quervermischung Schnelle Vergleichmäßigung der Strömung Folie 9 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

10 Ergebnisse: axial Einfluss der Verteilergeometrie: Einströmdurchmesser Vorgabe des Druckverlustes im Speicherbett Variation des Einströmdurchmessers γ Ergebnis: Zunahme der Gleichverteilung mit steigendem Druckverlust Maximale Gleichverteilung abhängig von Verteilergeometrie Folie 10 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

11 Ergebnisse: axial Korrelation zw. maximaler Gleichverteilung und Eu-Zahl Euler-Zahl als dimensionsloser Druckverlustsbeiwert Normierung des Ungleichförmigkeitsgrad γ γ normiert Eu Δp = ρ 2 F w F γ normiert γ γ min = γ γ max min Ergebnis: Korrelation zw. Ungleichförmigkeitsgrad und Euler-Zahl Annähernde Gleichverteilung ab Eu>400 Zusammenhang zwischen γ max und Verteilergeometrie Folie 11 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

12 Ergebnisse: axial Einfluß der Verteilergeometrie auf die max. Gleichverteilung γ max γ max Einströmdurchmesser [m] γ max γ max Verteilerhöhe [m] H/D-Verhältnis w 0 [m/s] Folie 12 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

13 Ergebnisse: axial Ansatz zur Beschreibung der maximalen Strömungsgleichverteilung γ max Beschreibung der maximalen Gleichverteilung der Strömung über Diffusoransatz Widerstandsbeiwert ~ (A 2 /A 1 ) Widerstandsbeiwert ~ (D/h V ) Widerstandsbeiwert ~ (Re 1 ) γ max ~f(re 1, (A 2 /A 1 )*(D/h V )) Ergebnis: Einfacher Ansatz zur Beschreibung der maximalen Strömungsgleichverteilung Einfache Abschätzung der benötigten Verteilerstruktur bei axialer Einströmung Folie 13 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

14 Ergebnisse: radial Erhöhte Anforderung bei radialer Einströmung Axiale Geschwindigkeit [m/s] Temperatur [K] Erhöhte Anforderung bei der Strömungsgleichverteilung durch radiale Einströmung Radial ungleichmäßig thermische Beaufschlagung Folie 14 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

15 Ergebnisse: radial Maßnahmen zur Vergleichmäßigung Vorgehen: Einteilung des Lochblechs in mehrere Segmente Vorgabe eines Strömungswiderstandes je Segment Axiale Geschwindigkeit [m/s] Ergebnis: Vergleichmäßigung der Strömung am Eintritt in das Speicherbett durch Generierung von Druckverlusten Druckverlustsverteilung des Lochblechs abhängig von Geschwindigkeitsverteilung bei radialer Zuströmung Folie 15 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

16 Zusammenfassung Speicher stellen eine wichtige Komponente zur Reduzierung der Stromgestehungskosten solarer Energieträger dar Gleichmäßige Durchströmung des Speichers ist Voraussetzung für sinnvolle Speichervolumenausnutzung Vergleichmäßigung der Strömungsverteilung durch Erhöhung der Druckverluste Schnelle Strömungsvergleichmäßigung bei möglicher Quervermischung Axiale Einströmung (Speicherbetteintritt) Korrelation zwischen Strömungsgleichverteilung und Euler-Zahl Einfacher Zusammenhang zwischen der maximalen Strömungsgleichverteilung und der Verteilerstruktur Radiale Einströmung (Speicherbetteintritt) Strömungsgleichverteilung durch Generierung von Druckverlusten (z.b. Lochblech) Folie 16 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 17 >Strömungsverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern > Volker Dreißigacker