Technische Thermodynamik - Technische Universität Darmstadt

Dominik Hering, Frank Dammel, Axel Dietrich, Peter Stephan
Numerische Simulation
eines Latentwärmespeichers für
ein Strom-Wärme-Strom Speichersystem
Nutzen, Aufbau und Funktionsweise von Strom-Wärme-Strom
Speichersystemen
Modellierung des Fest-Flüssig-Phasenübergangs im
Natriumnitrat-Latentwärmespeicher (LTES)
• Anteil erneuerbarer Energien an der Bruttostromerzeugung in Deutschland stark
angestiegen: 1990: 3.60 %, 2013: 23.4 % Quelle: AG Energiebilanzen
• Identifikation der Phasengrenzfläche über temperaturabhängige Phasenbruchfunktion f (T ):
f (T ) = 0 im Solidus-Bereich ( T < Tm − ∆Tm) und 1 im aufgeschmolzenen Natriumnitrat (NaNO3, T > Tm + ∆Tm)
• steigender zeitlicher Versatz zwischen Energieangebot und -nachfrage
• Nutzung der vergleichsweise neuen Technologie von Strom-Wärme-Strom Speichersystemen zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie
Tm − ∆Tm = 298.5 ◦C
Tm + ∆Tm = 313.5 ◦C
1.0
Zufuhr
überschüssiger
elektr. Energie
Abgabe elektr.
Energie
0.8
f (x , t)
Wärme aus
Umgebung
Tm = 306 ◦C
Wärme hoher
Temperatur
Abwärme
fest
flüssig
0.2
0.0
Wärmepumpe
Bereitstellung von Wärme auf hohem Temperaturniveau mit überschüssiger elektrischer Energie
Thermischer
Energiespeicher
Speicherung thermischer
Energie auf hohem Temperaturniveau
Wärmekraftmaschine
bedarfsgesteuerte Abgabe von elektrischer
Energie
• numerische Simulation des thermischen Energiespeichers
• simulierter NaNO3-Latentwärmespeicher vorher in Laborversuchen experimentell
untersucht (Martin, C.; Bauer, T.; Müller-Steinhagen, H.: An experimental study
of a non-eutectic mixture of KNO3 and NaNO3 with a melting range for thermal
energy storage. Applied Thermal Engineering Bd. 56 (2013), Nr. 1–2, S. 159–166)
294
318
312
◦
T in C
318
Verlauf der Phasenbruchfunktion f (x , t) im Schmelzintervall von NaNO3
• Scheinbare Wärmekapazitätsmethode:
Kopplung der temperaturabhängigen Verläufe der spez. Wärmekapazität in den
Phasen über f (T ), implizite Berücksichtigung der Phasenübergangsenthalpien
∆hβ −
→α sowie ∆hm über zusätzliche Beiträge
Fest-FlüssigPhasenübergang
Extrapolationsverfahren für Temperaturänderung des Wärmeträgeröls in
Strömungsrichtung
..
2 rES,o
•
300
..
Fest-Fest-Phasenübergang β −
→α
2 rAl,o
c in
J
kg K
1.36 m
2 rAl
#
3
Verlauf der spezifischen Wärmekapazität c von NaNO3 über der Temperatur T
"!
#
• Künstlich erhöhte Viskosität im Festkörperbereich zur Berücksichtigung natürlicher Konvektion im Speicherraum (mittels Boussinesq-Approximation)
2
"!
#
1
"!
Numerische Ergebnisse
6 · 60
310 °C
◦
313 °C
308 °C
2 rt,i
306 °C
2 rt,o
0.3 m
Ableitung des Rechengebiets (Betrachtung einzelner charakteristischer Schichten um
zentrales Wärmeübertragerrohr, 1 : Mineralwolle, 2 : NaNO3, 3 : Aluminiumrippen)
• Energiebilanz an der Rohrinnenwand zur Approximation der Temperaturänderung des Wärmeträgeröls (HTF) in axialer Richtung (Segmentindex k), Gleichsetzen der Beziehungen (1) und (2) für Q̇ kHTF(t)
Q̇ kHTF(t) = ρHTF
|
!
k
Q̇ HTF(t) =
2 k
k
πrt,i uz,HTF cHTF THTF,in(t) −THTF,out(t) (1)
{z
}
| {z }
ṁHTF
z2k
R
k−1 (t)
THTF,out
2π rt,i q̇(rt,i, z, t) dz
z3k
z2k
z2k
=
R
HTF
2π rt,i αHTF . . .
z3k
→
k (z,t)
∆TW
}|
{
. . . THTF,av(z, t) − TW(rt,i, z, t) dz
z
€
Š
k
k
k
= 2π z2 − z3 rt,i αHTF ∆TW,av
(t) (2)
Institut für
Technische Thermodynamik
Technische Universität Darmstadt
www.ttd.tu-darmstadt.de
↓
z3k
rt,i
rt,o
0.5 hAl
PCM (NaNO3)
Beispielhafte Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung während des Schmelzvorgangs in einer charakteristischen Schicht mit Tm = 306 °C
z in m
1, j
Abnahme THTF,in
−−−−−−−−−−→
1, j
j
Abnahme uz,HTF
−−−−−−−−−−→
Zunahme THTF,in
−−−−−−−−−−→
j
Abnahme uz,HTF
−−−−−−−−−−→
1.36
0.95
1.02
0.94
0.68
0.93
0.34
0.92
0.00
0.91
hPCM
1, j
j
Einströmtemperatur THTF,in bzw. -geschwindigkeit uz,HTF
q̇(rt,i, z, t)
i, j
z
r
rAl
(nicht maßstabgetreu)
Zeitlich gemittelte exergetische Wirkungsgrade ξchar,av (Einspeicherung, links) sowie
i, j
ξdis,av
(Ausspeicherung, rechts) für Parameterkombinationen (Variation von treibender
Temperaturdifferenz sowie Massenstrom, berechnete Werte als Punkte dargestellt) in
Abhängigkeit der z -Richtung, Be-/Entladezeiten zwischen 1.7 und 5.3 h
Darmstädter Exzellenz-Graduiertenschule
für Energiewissenschaft und Energietechnik
Technische Universität Darmstadt
www.ese.tu-darmstadt.de