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Die Abbildung zeigt den untersuchten Latentwärmespeicher im Technikumsmaßstab.
© DLR

Durch das axial berippte Rohr strömt Dampf bei hohem Druck durch den Latentwärmespeicher. Die Wärme wird über die Rippenstruktur auf das Salz übertragen.
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Wie ein Schneekristall geformt

Obwohl der überhitzte Dampf 550 °C erreicht, werden etwa 65% der Solarenergie alleine für den Verdampfungsprozess aufgewendet. Entsprechend wichtig ist der Latentwärmespeicher, der diesen Energieanteil aufnimmt. Das Speichermedium ist Natriumnitrat, das bei 306 °C, etwa 10 Grad Kelvin, unterhalb der Kondensationstemperatur des Dampfes, schmilzt. Es befindet sich in einem wärmegedämmten Behälter im direkten Kontakt mit Wärmeübertragerrohren, durch die der Dampf bei der Beladung strömt. Dabei kühlt der Dampf ab und kondensiert. Die latent gespeicherte Energie wird frei und das Salz schmilzt mit einer Phasenwechselenthalpie von 175 kJ/kg. Zur Entladung strömt Speisewasser durch die Übertragerrohre. Das flüssige Salz erstarrt und überträgt die Kristallisationsenergie auf das Wasser.

So einfach das Speicherprinzip ist, so schwierig erweisen sich manche Details der praktischen Umsetzung. Beispielsweise ändert das Salz sein Volumen beim Phasenwechsel, was konstruktiv bedacht werden muss. Gleichzeitig sollen aber die Material- und Fertigungskosten gering bleiben. Ein spezielles Problem dieses Speichertyps ergibt sich aus der geringen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Salze. Wird der Speicher entladen, so erstarrt das Salz zuerst dort, wo die Wärme entzogen wird – also am Wärmetauscher. Eine zunehmend dickere Salzkruste bildet sich und behindert als Isolierschicht den Wärmefluss immer mehr. Abhilfe schafft eine möglichst große Oberfläche des Wärmetauschers durch Wärmerippen. Sie sollten thermisch gut und zuverlässig an den Wärmeübertrager angebunden sein, möglichst weite Bereiche des Speichers erfassen, jedoch das aktive Volumen nicht zu stark reduzieren.

Mit einem Versuchsspeicher im Technikumsmaßstab optimierten die Wissenschaftler sowohl den geometrischen Aufbau als auch die einzelnen Komponenten. Dabei konnten sie auf den Erkenntnissen der vorangegangenen Projekte DISTOR und ITES sowie das parallel laufende Projekt TESIN aufbauen.

Im Blick der Forscher waren neben der technischen Leistungsfähigkeit des Speichermoduls stets auch ökonomische Gesichtspunkte.
In einigen bisher getesteten PCM-Modulen sorgten ringförmige Lamellen für den Wärmefluss zwischen den Wärmeübertragungsrohren und dem Salz. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sich axiale Rippen aus stranggepresstem Aluminium viel günstiger herstellen lassen. Sie sollten mindestens die gleiche Leistungsfähigkeit besitzen, wie die radiale Variante.

Im Verlauf der Arbeit untersuchten die Wissenschaftler mehr als 20 unterschiedliche Rippenprofile, die sie in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen des Rohrregisters optimierten und im Labor auf ihre Praxis­tauglichkeit testeten. Simulationsmodelle und Versuche führten zu einem sechsarmigen Aluminiumprofil, das einem Schneekristall ähnelt. Die Struktur setzt sich aus drei Teilen zusammen, die durch Klemmen am Übertragerrohr befestigt sind. Diese Klammertechnik hatte sich in den Experimenten als die beste Rohrbefestigung erwiesen. Die gute Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse mit den Berechnungen zeigen zudem, dass das Simulationsmodell die neuen Strukturen gut abbilden kann.

Praxistest und Optimierung

„Wir wollen die Speicher für eine konstantere Entladeleistung optimieren und den Temperaturunterschied zwischen der Be- und Entladung minimieren. Damit könnte die Dampfturbine im Speicherbetrieb eine höhere Leistung erzielen und der ineffiziente Gleitdruckbetrieb würde minimiert“, erläutert Maike Johnson die weiteren Forschungsziele. Die Wissenschaftler des DLR sehen in aktiven Latentwärme-Speicherkonzepten das technologische Potenzial dafür. Bisher gibt es noch wenige Untersuchungen hierzu, sodass die Möglichkeiten noch nicht ausreichend geklärt und ausgeschöpft sind. Thermische Energiespeicherkonzepte können einen Beitrag für flexiblere Stromnetze leisten und die schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen ausgleichen. „Ein interessanter Forschungsbereich ist beispielsweise die Umwandlung von überschüssigem Strom zu Wärme und die Rückverstromung bei Bedarf“, erläutert die Forscherin.

Direktverdampfung statt Thermoöl

Die meisten solarthermischen Kraftwerke arbeiten mit Thermoöl, das die Wärme von den Parabolrinnenkollektoren zum Kraftwerk transportiert und dort Dampf erzeugt. Die Wärmeträgerflüssigkeit begrenzt die Betriebstemperatur, da sie sich bereits bei etwa 400 °C zersetzt. Bei einigen Kraftwerken dieses Typs werden bereits Wärmespeicher eingesetzt. So ver­fügen beispielsweise die Andasol-Kraftwerke in der spanischen Provinz Granada über Speichertanks mit Salzschmelze. Sie speichert Energie für eine Betriebszeit der Kraftwerksturbinen von 8 Stunden unter der Volllast von 50 MWel.

Durch die höheren Temperaturen erreicht die Direktverdampfung deutlich höhere Wirkungsgrade. Mit gleicher Spiegelfläche lässt sich also viel mehr Strom erzeugen und Wärmespeicher erreichen bei gleicher Größe höhere Kapazitäten. Auch der System­aufbau wird einfacher: Während das Thermoöl den Dampf erst im Kraftwerk über einen Wärmeübert­rager erzeugt, kann der direkt erzeugte Dampf ohne Umwege auf die Dampfturbinen des Kraftwerks geleitet werden.

Ebenfalls hohe Temperaturen erreichen „Molten Salt“-Kraftwerke. Sie nutzen Salzschmelze, die sich auf 565 °C erhitzen lässt, als Wärmeträgerfluid. Jedoch kann die Schmelze erstarren, wenn ihre Temperatur unter etwa 240 °C fällt. Sie kann dann nur mit hohem Aufwand wieder verflüssigt werden. Deshalb werden die dünnen Receiverrohre nachts mit hohem Energieaufwand beheizt oder – nach einem neuen Konzept – entleert, wobei der Wärmeträger in gut isolierten Behältern zwischengespeichert wird.

Projektinfo 11/2017:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung und Forschung zu Thermischen Energiespeichern
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Entwicklung des Latentwärmespeichers
Linde AG

BINE-Projektinfo 11/2017
(PDF, 4 Seiten, 252 kB)

Links

Energiespeicher
Portal der Förderinitiative Energiespeicher mit aktuellen Meldungen aus Forschung, Entwicklung und Demonstration von Energiespeichern

Infotipps

Solarthermische Kraftwerke
BINE-Themeninfo II/2013

Die Sonnenseiten des Sattdampfes
BINE-Projektinfo 11/2011

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.