Optimierung von Hochtemperaturwärmespeichern für ein Druckluftspeicherkraftwerk

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei Hochtemperatur-Wärmespeicherkonzepte (Feststoffwärmespeicher mit Sand/Rippenrohr und Heiß- und Kalttank- Wärmespeichersystem) für ein isobares Druckluftspeicher Gas- und Dampfturbinen – Kombi- Kraftwerk entwickelt.

Das Auslegungsverfahren für den Feststoffwärmespeicher basiert auf dem analytischen ?D- Modell mit Korrektur-Faktoren, die aufbauend auf den dynamischen numerischen Berechnungsergebnissen mit der Finite Differenzen Methoden für zahlreiche Auslegungsvarianten hergeleitet wurden. Zur Validierung der Modelle wurden zwei Wärmespeicherversuchsstände aufgebaut, betrieben und gemessen. Um die Speicher- Charakteristik der großen Anlagen zu betrachten, wurden die Ladevorgänge und Stillstandszeiten einer Auslegungsvariante in Ansys CFX dynamisch im Detail simuliert.

Für das Tank-Wärmespeichersystem wurden die Hauptkomponenten (Speichertanks, Wärmeübertrager und Pumpen) ausgelegt. Neben der wärmetechnischen Auslegung wurden die Bauteile von Speichertanks und Wärmeübertrager mit gekoppelter Berechnung von Computional Fluid Dynamics und Finite Elemente Methode insbesondere bezüglich Wärmespannungen numerisch untersucht.

Gemäß den technischen Randbedingungen wurden die beiden Speicherkonzepte optimiert. Als Kriterium wurde eine Kosten-Funktion zur Berechnung der spezifischen Speicherkosten aufgestellt und für verschiedene Ladungsanzahlen pro Jahr die optimalen Speicherauslegungen mit minimalen Speicherkosten ermittelt.