Experiments and Validated Models for Adsorption Thermal Energy Storage in Industrial and Residential Applications

• Experimentelle Untersuchungen und validierte Modelle eines thermischen Adsorptionsspeichers für Industrie- und Gebäudeheizprozesse

Schreiber, Heike; Bardow, André (Thesis advisor); Schmitz, Gerhard (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur technischen Thermodynamik 10
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XVIII, 160 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Thermische Energiespeicher leisten einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung: Sie ermöglichen die Flexibilisierung von Energiesystemen und die Einsparung von Primärenergie. Besondere Vorzüge haben Speichersysteme, die Adsorption zur Speicherung thermischer Energie nutzen: Sie bieten hohe Speicherdichten, können ein breites Temperaturspektrum bedienen und durch den Wärmepumpeneffekt Abwärmeströme in die Prozesswärmebereitstellung einbinden.Die vorliegende Arbeit betrachtet daher einen thermischen Adsorptionsspeicher, der zur Raum- und Prozesswärmebereitstellung genutzt werden kann. Zur energieeffizienten Bereitstellung von Prozesswärme für einen diskontinuierlichen Industrieprozess kann der Adsorptionsspeicher mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kombiniert werden. Diese Anwendung wird im Rahmen dieser Arbeit mittels dynamischer Simulationen untersucht: Zur Evaluierung des Betriebsverhaltens des Speichers wird ein mathematisches Modell erstellt und mit Hilfe von vorhandenen Messdaten parametriert. In einer Simulationsstudie werden Alternativtechnologien, wie Spitzenlastkessel und thermische Phasenwechselspeicher, zur Einbindung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage betrachtet und mit dem thermischen Adsorptionsspeicher hinsichtlich der erreichbaren Primärenergieeinsparung im Industrieprozess verglichen. Die Studie zeigt, dass durch Einsatz des Adsorptionspeichers bis zu 25 % Primärenergie eingespart werden kann. Dieses Einsparpotenzial wird erreicht, wenn beim Entladen ein Niedertemperaturwärmestrom aus dem Prozess vorhanden ist und beim Beladen Niedertemperaturwärme im Prozess benötigt wird.Methodisch zeigt die Studie auf, dass genaue Modelle, die insbesondere die Wärmeverluste und die Dynamik des Speichers präzise abbilden, unumgänglich sind für eine sorgfältige Bewertung des Speichernutzens. In einer experimentellen Studie werden die Wärmeverluste des Adsorptionsspeichers analysiert. Anschließend werden Speicherzyklen von der Kurzzeitspeicherung bis hin zur saisonalen Speicherung von thermischer Energie vermessen und die Leistungsfähigkeit des Speichers analysiert. Der Speicher erreicht eine Wärmerückgewinnungsrate von 69 % und eine Energiespeicherdichte von 20.4 kW h/$m^3$.Mit Hilfe weniger Wärmeverlustmessungen sowie einer Zyklusmessung wird das anfangs eingeführte Modell des Speichers verbessert und umfassend validiert. Das Modell erreicht eine -- im Vergleich zur Literatur sehr gute -- Vorhersagegenauigkeit für industrielle und Gebäudeheizanwendungen. Die vorliegende Arbeit bietet somit die Basis für zukünftige Systemanalysen und die Erschließung neuer Anwendungsfelder für thermische Adsorptionsspeicher.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik [412110]