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Thermische Energiespeicher auf Flüssigmetallbasis

Im Rahmen der Energiewende kommt der Speicherung von Energie eine große Bedeutung zu, da viele erneuerbare Quellen wie Sonne und Wind natürlichen Schwankungen unterliegen, verursacht durch Tages- und Jahresgänge, aber auch durch Wetterbedingungen. Speicher sind der Schlüssel zur Kompensierung dieses schwankenden Angebots und einer bedarfsgerechten Energiebereitstellung. In konzentrierenden Solarkraftwerken beispielsweise wird mithilfe von Sonnenenergie Wärme gewonnen. Diese kann anschließend in thermischen Speichern gespeichert werden und bei Bedarf über einen angeschlossenen Dampfkraftprozess in Strom umgewandelt werden.

Mit Hilfe von Flüssigmetallen ist es möglich, Wärme auch bei sehr hohen Temperaturen, jenseits von 600°C zu speichern, die typisch für industrielle, oft energieintensive Hochtemperaturprozesse sind. Die Nutzung der Flüssigmetalle als Speicher- und Trägermedium kann die Energieversorgung solcher Prozesse, welche oft auch Schlüsseltechnologien für den Industriestandort darstellen, aus erneuerbaren Quellen ermöglichen. Aber auch bei der Rückwandlung der Wärme in Strom wird aufgrund des hohen Temperaturniveaus eine verbesserte Effizienz im Vergleich zu niedrigeren Temperaturen erreicht. Schließlich kann anfallende Abwärme aus Hochtemperaturprozessen mit Hilfe von Flüssigmetallspeichern zwischengespeichert und je nach Bedarf zeitversetzt entweder in Strom umgewandelt oder direkt als Wärme in anderen Prozessen genutzt werden. Die Verwendung von Flüssigmetallen als Speicher- und Trägermedium kann also erheblich zu einer Flexibilisierung des Energiesystems und zu einer wachsenden Versorgung durch erneuerbare Energiequellen beitragen.

TES4KALLA

 

Forschungsziel

Im Rahmen der Arbeiten am KALLA soll die technische Umsetzbarkeit sogenannter Schichtenspeicher auf Flüssigmetallbasis gezeigt werden. Solche Schichtenspeicher benötigen nur einen Speichertank und sind eine wirtschaftlich attraktive Option. Thermische Schichtenspeicher mit Wasser werden heute bereits zur Wärmespeicherung in der Gebäudetechnik eingesetzt. Im oberen Bereich des Tanks befindet sich dabei das heiße, im unteren das kalte Fluid. Beide Zonen werden durch eine Sprungschicht, die sogenannte Thermokline, voneinander getrennt. Bei der Verwendung von Flüssigmetall stellt die hohe Wärmeleitfähigkeit dieses Fluides eine große Herausforderung dar. Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaft würde sich bei einem reinen Flüssigmetallspeicher die Thermokline sehr schnell ausbreiten, wodurch ein Temperaturausgleich stattfinden würde und somit die Effizienz des Speichers stark reduziert wäre. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wird eine Partikelschüttung in das gesamte Volumen des Wärmespeichers eingebracht. Die Partikel sollten dabei eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Eine hohe Wärmekapazität dieser Partikel wirkt sich zudem positiv auf die Speicherdichte aus und ermöglicht eine kompakte Bauweise.

Numerische Untersuchungen haben gezeigt, dass solche Eintank-Flüssigmetallspeicher mit einem integrierten Festbett eine vielversprechende Speichertechnologie darstellen. In den weiteren geplanten Arbeiten wird zunächst im Pilotmaßstab ein Wärmespeicher mit Blei-Wismut und integrierter Schüttung aufgebaut, um die numerischen Ergebnisse zu bestätigen und experimentell weitere Erkenntnisse und Erfahrungen zum Betriebsverhalten zu gewinnen. Im Fokus der Forschung steht das Verhalten der Thermokline während des Be- und Entladens und auch während dazwischenliegender Stand-By-Zeiten, welche die Effizienz des Speichers stark beeinflussen.

 

Referenzen:

[1] Niedermeier, K., Flesch, J., Marocco, L., & Wetzel, T. (2016). Assessment of thermal energy storage options in a sodium-based CSP plant. Applied Thermal Engineering, 107 (2016), 386-397.

[2] Niedermeier, K., Marocco, L., Flesch, J., Mohan, G., Coventry, J., & Wetzel, T. (2018). Performance of molten sodium vs. molten salts in a packed bed thermal energy storage. Applied Thermal Engineering, 141 (2018), 368-377.

 

Kontakt:
Dr.-Ing. Klarissa Niedermeier
Phone +49 721/608-26902
klarissa.niedermeier∂kit.edu