Professur Technische Thermodynamik






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Thermische Energiespeicher
(Wärme- und Kältespeicher)

Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher

In den nächsten Jahren muss die Effizienz der Speichertechniken gesteigert werden, um insbesondere die Sonnenenergie stärker in die Wärmeversorgung einzubeziehen. Dabei besteht ein signifikanter Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Be- und Entladesysteme - hier für mittelgroße bis große Tank- und große Erdbeckenspeicher. Die Herausforderung beginnt damit, dass selbst grundlegende Phänomene im Speicher, nicht vollständig und nicht mit der notwendigen Tiefe aufgeklärt sind. Hier sollen experimentelle und rechnerische Untersuchungen helfen die Vorgänge im Speicherinneren aufzuklären. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse können dann die Be- und Entladesysteme weiterentwickelt werden, um die so genannten inneren Verluste (z.B. Mischvorgänge) zu minimieren.

Machbarkeitsuntersuchung zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen Versorgungssystemen

Das Ziel dieses Projektes ist die Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) durch den Einsatz thermischer Energiespeicher in Kälteversorgungssystemen - populär Kältespeicher. Allein über den Einsatz von Absorptionskältemaschinen ist zur Zeit keine erhöhte Nutzung der Abfallwärme zu erwarten. Deswegen muss die KWKK-Technik mit Speichertechnik ergänzt werden um kostenseitige Vorteile für eine wirtschaftliche Durchsetzung zu erreichen. Perspektivisch sollen Kälteversorgungssysteme mit TES optimal ausgelegt, errichtet und betrieben werden.


Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kältekopplung mittels Kältespeicherung

Um die positiven Ergebnisse der Machbarkeitsuntersuchung in die Anwendung zu überführen ist es notwendig, die theoretischen Ergebnisse in die Anwendung zu überführen. Wesentliche Punkte diese Pilotprojektes sind

  • die Errichtung des ersten großen Kurzzeit-Kältespeichers in Deutschland,
  • der Betrieb des KWKK-Systems mit Speicher
  • der Vergleich zwischen den Planungs- und Betriebswerten und
  • die deutschlandweite Einführung dieser Technik.

Berechnung von Kies-Wasser-Speichern

Die Berechnung des thermischen Verhaltens von Kies-Wasser-Speichern mit direkter Beladung spielt bei der Planung und Überwachung derartiger Speicher eine wichtige Rolle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modell für die Berechnung des Wärmeübergangs und Stofftransportes entwickelt. Das Modell beinhaltet die Massenerhaltungsgleichung, die Energieerhaltungsgleichung für die flüssige und feste Phase und die Impulserhaltung. Berücksichtigt wurde auch der Wärmeübergang an der Erdoberfläche und vom Speicher ins umgebende Erdreich sowie die Be- und Entladung des Speichers. Für die Implementierung dieses Modells in CFX 4.4, einem kommerziellen Programmpaket, waren spezielle Anpassungen bzw. Erweiterungen notwendig. Die Parameter zur Beschreibung des vorliegenden Speicherbaumaterials stammen nur zum Teil aus der Literatur. Eigene Untersuchungen lieferten Werte für die Porosität, die Gesteinsdichten und den mittleren Partikeldurchmesser. Außerdem stand die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des gegebenen Kies-Wasser-Stoffsystems im Mittelpunkt der experimentellen Arbeiten. Die dafür in einer Versuchsapparatur gewonnenen Ergebnisse dienten ebenfalls zur Überprüfung des aufgestellten Berechnungsmodells. Durch die Nachrechnung konnte die modellseitige Abbildung der instationären Wärmeleitung bestätigt werden. Weitere Validierungsrechnungen für die erzwungene und freie Konvektion lieferten Aussagen zur Genauigkeit, zum Modellverhalten und zu numerischen Effekten. Die Berechnungen des thermischen Verhaltens eines 8000 m³ Kies-Wasser-Speichers beziehen sich auf das Projekt „Solar unterstützte Nahwärmeversorgung – solarisPark Chemnitz“ des Forschungs- und Demonstrationsprogramms Solarthermie 2000. Mess- und Berechnungsergebnisse fließen in die Auswertung ein. Ergebnisse liegen für verschiedene Temperatur- und Strömungsfelder sowie für den Energieverlust des Speichers vor. Messungen und Berechnungen tragen gleichermaßen zur Erforschung und Auswertung des thermischen Speicherverhaltes bei.


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