Solarthermie2000plus

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

Die effiziente und kostengünstige Speicherung thermischer Energie bedingt einfache Be- und Entladesysteme, die zuverlässig eine thermische Schichtung im Speicher bewirken und erhalten. Auf diesem Hintergrund erfolgt innerhalb des oben genannten Projektes eine permanente Marktbeobachtung und Literaturrecherche. Darauf aufbauend werden mit dem Ziel der Weiterentwicklung und Optimierung an verschiedenen Be- und Entladekonstruktionen sowohl experimentelle Untersuchungen als auch Simulationen mit CFD (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt.

Es existiert eine Vielzahl an Konstruktionen zur Be- und Entladung von thermischen Speichern. Göppert et al. (2006) gibt einen Überblick zu aktuellen technischen Varianten von Schichtenladevorrichtungen. Diese Be- und Entladesysteme sollen ein Fluid mit variabler Tem­peratur möglichst ohne Vermischung mit dem im Speicher befindlichen Fluid in die Schicht mit gleicher Temperatur einbringen. Das kann auf mechanischem oder strömungsmechanischem Weg erfolgen. Der Einsatz von mechanischen Beladern in großen Speichern ist aufgrund möglicher Ausfälle und der Wartungsproblematik jedoch kritisch zu sehen. In strömungsmechanischen Beladern soll sich das Fluid entsprechend seiner Dichte in die richtige Höhe im Speicher einschichten. Diese Konstruktionen sind Gegenstand des hier vorgestellten Projektes.

Abbildung 1: Modellspeicher der TU-Chemnitz (links) und Modellspeicher der TU-Ilmenau (rechts)

Experimentelle Untersuchungen

Zur experimentellen Untersuchung des Beladeverhaltens wurden zwei Versuchsstände mit transparenten Modellspeichern errichtet. An der TU Ilmenau werden an einem runden Modellspeicher mit 0,9 m Durchmesser und 1 m Höhe Versuche zu den Strömungsvorgängen im gesamten Speicher durchgeführt. Dabei kommen Strömungsmarkierung mit Tinte verbunden mit einer Videoaufzeichnung sowie PIV-Messtechnik (Particle-Image-Velocimetry) zum Einsatz. Die Messung der vertikalen Temperaturverteilung erfolgt mit in verschiedenen Höhen angeordneten Thermoelementen.

Abbildung 2: PIV-Aufnahmen an einem Beladesystem der Firma SOLVIS zu verschiedenen Zeitpunkten nach Beginn der Messung; a) 5 s; b) 10 s; c) 15 s; d) 20 s

An der TU Chemnitz werden an einem rechteckigen Modellspeicher mit einer Breite und Höhe von jeweils 1 m und einer Tiefe von 0,2 m Versuche durchgeführt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf den Strömungsvorgängen im und am Beladesystem selbst. Zur Abbildung der Strömung wird das zentral projizierende Schattenverfahren angewandt. Zusätzlich kann an ausgewählten Stellen die Strömung mit Tinte markiert werden. Die Messung der vertikalen Temperaturverteilung erfolgt in gleicher Weise wie an der TU Ilmenau. Ein wichtiges Ergebnis der bisher durchgeführten Versuche ist der Nachweis der verschiedenen Formen von Ansaugeffekten (s.u.). Weiterhin konnten Simulationsrechnungen erfolgreich validiert werden.

Abbildung 3: Verschiedene Ansaugeffekte in einer Schichtenladevorrichtung bei a) kaltem und bei b) bzw. c) halbbeladenem Speicher, t_oben = 60 °C, t_unten = 20 °C,
1 - angesaugter Strom; 2 - Beladestrom
a) 6 cm/s, ΔT = 35 K; b) 3 cm/s, ΔT = -25 K; c) 1 cm/s, ΔT = -40 K

Numerische Simulation

Parallel zum Experiment werden mit Hilfe der CFD und einem validierten Berechnungsmodell für turbulente Fluidströmungen die physikalischen Effekte während der Beladung eines thermischen Speichers untersucht. Dabei werden über numerische Verfahren für diskrete Zeitpunkte komplette Geschwindigkeits- und Temperaturfelder im Speicher berechnet. Für die Abbildung dieser komplexen Vorgänge benötigte man sehr hohe Rechenleistungen. Dank des Chemnitzer Hochleistungs-Linux-Cluster's „CHiC“ ist es möglich, solche umfangreichen CFD-Berechnungen verstärkt einzusetzen.

Über die Simulation ist es gelungen, die wesentlichen Strömungseffekte, die zur Vermischung von kaltem und warmem Wasser im Speicher führen, und deren Ursachen herauszuarbeiten. Die experimentellen Untersuchungen bestätigten die Berechnungs­ergebnisse. Anhand von Designstudien konnte so das Beladeverhalten eines Schichten­ladesystems wesentlich verbessert werden.

Abbildung 4: Vergleich der Temperaturverteilung während der Beladung eines 50 m³ großen Speichers mit unterschiedlichen Beladesystemen

Praktische Umsetzung

In einem Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kältekopplung wird von der Stadtwerke Chemnitz AG ein 3500 m³ Kältespeicher errichtet. Zuvor wurde in einer von der Stadtwerke Chemnitz AG und der TU Chemnitz durchgeführten Machbarkeitsstudie das Vorhaben positiv bewertet. Die wissenschaftliche Leitung und Betreuung des Pilotprojektes liegt bei der TU Chemnitz.

Vom Projektpartner TU Ilmenau werden zwei Projekte betreut. In der im Probebetrieb befindlichen Solaranlage im Nationalpark-Bildungszentrum Jugendherberge Harsberg wird ein 15 m³ Speicher mit einem Beladesystem der Firma Solvis eingesetzt. Ein Projekt zur solaren Nahwärmeversorgung von vier Stadtvillen in Jena befindet sich in der Planungsphase. Hier soll ein 30 m³ Speicher mit einem modifizierten Beladesystem der Firma ConSens errichtet werden.

Abbildung 5: Zentrale Kälteversorgung der Stadtwerke Chemnitz AG (links) und Wärmespeicher JH Harsberg (rechts)

Ausgewählte Veröffentlichungen

Urbaneck, T.; Platzer, B.; Schirmer, U.:
Advanced monitoring of gravel water storage. FUTURESTOCK 2003, 9th International Conference on Thermal Energy Storage, 2003, Warschau (Polen), Proceedings Vol.1, S. 451-458, ISBN 83-7207-435-6

Urbaneck, T.:
Berechnung des thermischen Verhaltens von Kies-Wasser-Speichern. Diss., TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, 2004. Berichte aus der Energietechnik, Aachen, Shaker, 2004, ISBN 3-8322-2762-8

Urbaneck, T.; Platzer, B.; Schirmer, U.:
Direkte Be- und Entladung von Kies-Wasser-Speichern. In: 14. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, Ostbayerisches Technologie Transfer Institut e.V. (OTTI), Regensburg (Hrsg.), 2004, Tagungsband, S. 418-423, ISBN 3-93468-33-6

Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Bühl, J.; Nilius, A.:
Be- und Entladesysteme für große Tank- und Erdbeckenspeicher - Projektvorstellung. In: 15. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, Ostbayerisches Technologie Transfer Institut e.V. (OTTI), Regensburg (Hrsg.), 2005, Tagungsband, S. 83-87, ISBN 3-934681-39-5

Urbaneck, T.; Uhlig, U.; Platzer, B.; Schirmer, U.; Göschel T.; Zimmermann, D.:
Machbarkeitsuntersuchung zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen Versorgungssystemen. Abschlussbericht BMWA-Forschungsvorhaben, Identifikation 0327357A, Chemnitz: Stadtwerke Chemnitz, TU Chemnitz, 2006. - ISBN 3-00-015770-0

Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Lohse, R.; Platzer, B.:
Be- und Entladesyteme zur ther­mischen Speicherschichtung . In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 16. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2006, Tagungsband, S. 167-172. - ISBN 3-934681-45-X

Lohse, R.; Platzer, B.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Göppert, S.; Rauh, H.:
Optimierung von Be- und Entladesystemen mittels CFD. In: Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich; Fraunhofer SOBIC (Hrsg.): Statusseminar "Thermische Energiespeicherung ", Freiburg, 2006, S. 79- 85

Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Lohse, R.; Rauh, H.; Platzer, B.:
Be- und Entladesysteme. Von der Recherche zum Experiment. In: Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich; Fraunhofer SOBIC (Hrsg.): Statusseminar "Thermische Energiespeicherung ", Freiburg, 2006, S. 61- 68

Lohse, R.; Platzer, B.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Göppert, S.:
Weiterentwicklung eines Schichtenbeladers für thermische Großspeicher. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 17. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2007, Tagungsband, S. 264-266, ISBN 978-3-934681-55-2

Göppert, S.; Rauh, H.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Lohse, R.; Platzer, B.; Kunis, C.:
Untersuchungen zum Schichtungsverhalten verschiedener Be- und Entladesysteme. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 17. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2007, Tagungsband, S. 51-53, ISBN 978-3-934681-55-2

Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Lohse, R.; Platzer, B.:
Be- und Entladesysteme für thermische Energiespeicher: Teil 1 - Übersicht. In: Chemie Ingenieur Technik 80 (2008), Nr.3, S. 287-293

Lohse, R.; Göppert, S.; Kunis, C.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Platzer, B.:
Be- und Entladesysteme für thermische Energiespeicher: Teil 2 - Untersuchung des Beladeverhaltens. In: Chemie Ingenieur Technik 80 (2008), Nr.7, S. 935-943

Urbaneck, T.; Fritzsch, S.; Schirmer, U.; Bocklisch, S.;Göppert, S.; Lohse, R.; Rauh, H.; Platzer, B.:
Der gestalterische Einfluss bei großen Tankspeichern auf den solaren Ertrag. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 18. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2008, Tagungsband, S. 278-283, ISBN 978-3-934681-69-9

Lohse, R.; Urbaneck, T.; Göppert, S.; Schirmer, U.; Rauh, H.; Platzer, B.:
Gestaltungsrichtlinien für Schichtenbeladesysteme für thermische Energiespeicher. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 18. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2008, Tagungsband, S. 452-457, ISBN 978-3-934681-69-9

Urbaneck, T.; Göppert, S.; Lohse, R.; Schirmer, U.; Platzer, B.; Bühl, J.; Nilius, A.:
Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckemspeicher - Methodik und Projektergebnisse. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 19. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2009, Tagungsband, S. 252-257, ISBN 978-3-934681-94-1

Göppert, S.; Urbaneck, T.; Lohse, R.; Schirmer, U.; Platzer, B.:
Experimentelle Untersuchungen zum Schichtungsverhalten verschiedener Be- und Entladesysteme. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 19. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2009, Tagungsband, S. 258-263, ISBN 978-3-934681-94-1

Lohse, R.; Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Platzer, B.:
Strömungsvorgänge an Beladetassen für Warmwasserspeicher. In: Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) Regensburg (Hrsg.): 19. Symposium „Thermische Solarenergie“, Staffelstein, 2009, Tagungsband, S. 452-457, ISBN 978-3-934681-94-1

Lohse, R.; Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Platzer, B.:
Optimization of a stratification device for thermal storage tanks. In: Effstock 2009, 11th International Conference on Thermal Energy Storage, Stockholm (Schweden), 2009 (8 Seiten Langfassung auf CD). ISBN 978-91-976271-3-9

Göppert, S.; Lohse, R.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Platzer, B.: Steinert, P.:
Computation of the fluid flow on stratification pipes for solar storage tanks. In: Effstock 2009, 11th International Conference on Thermal Energy Storage, Stockholm (Schweden), 2009 (8 Seiten Langfassung auf CD). ISBN 978-91-976271-3-9

Göppert, S.; Lohse, R.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Platzer, B.: Steinert, P.:
New computation method for stratification pipes of solar storage tanks . In: Solar Energy 83 (2009), Nr.9, S.1578-1587

Göppert, S.; Lohse, R.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Bühl, J. ; Nilius, A. ; Platzer, B.:
Forschungsbericht - Solarthermie 2000plus - Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladeeinrichtungen für Tank- und Erdbeckenspeicher. Chemnitz: TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, 2009. - Forschungsbericht. BMU-Förderprogramm Solarthermie 2000plus, Projektträger Jülich (PTJ), Förderkennzeichen 0329271A. - ISBN 978-3-9811424-0-2

Lohse, R.; Göppert, S.; Urbaneck, T.; Schirmer, U.; Bühl, J. ; Nilius, A. ; Platzer, B.:
Planungsleitfaden zur geschichteten Be- und Entladung thermischer Speicher in solarthermischen Anlagen. Chemnitz: TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau, 2009, ISBN 978-3-9811424-1-9

Lohse, R.:
Einfluss von Beladeeinrichtungen auf die thermische Schichtung in Warmwasserspeichern. TU Chemnitz, Diss., 2010. Berichte aus der Energietechnik. Aachen : Shaker, 2010. - ISBN 978-3-8322-9203-4

Ansprechpartner:

Prof. B. Platzer, Tel +49 371 531-32501
Dr. T. Urbaneck, Tel +49 371 531-32463
Dr. U. Schirmer, Tel +49 371 531-32546
Dr. S. Göppert, Tel +49 371 531-34749
Dr. R. Lohse, Tel +49 371 531-32414

Links:

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Gefördert durch:		Förderkennzeichen: 0329271A
Projekmanagment:
Projektpartner:

Schlagwörter: Schichtbeladeeinrichtung, Schichtladeeinrichtung, Optimierung Auslegung Schichtladeeinrichtung, Optimierung Auslegung Schichtenbelader, thermischer Speicher, Schichtenlader, thermische Schichtung, Warmwasserspeicher, Solarthermie 2000plus

Rolf Lohse
21. September 2010

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