AdvancedReg Advanced Regenerator: Partikel-Hochtemperaturwärmespeicher ohne rotierende Komponenten mit Gegenstromcharakteristik

Im Rahmen des Sondierungsprojektes wurde der Prototyp eines aktiven sensiblen Wärmespeichers, welcher auf Basis der Wirbelschichttechnologie und nach dem Gegenstromprinzip arbeitet entwickelt, erprobt und demonstriert. Dass Alleinstellungsmerkmal dieses innovativen Wärmespeichers ist, dass dieser ohne rotierende Komponenten arbeitet. Für den Bau des Prototyps wurde eine innovative Ausführung des Wirbelschichtwärmespeichers konzipiert, die speziell für kleinere Anlagen sehr gut geeignet ist. Der Bereich des Wirbelschichtwärmeübertragers wird klein gehalten und von größeren Pufferspeichern flankiert. Das Konzept kann durch zusätzliche Wärmeübertrager weiter flexibilisiert werden, sodass auch Kraftwerksprozesse, welche unterschiedliche Phasen der Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung besitzen durch den Energiespeicher unterstützt werden können.
Parallel zur Entwicklung des Prototyps wurde die Entwicklung von beschichteten Mikropartikeln vorgenommen. Diese Partikel bestehen im Kern aus einem Phasenwechselmaterial, welches mittels einem Hüllmaterials beschichtet wurde. Dazu wurden das Phasenwechselmaterial nach einer Aufbereitung in einem Wirbelschichtreaktor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen beschichtet. Zur Überprüfung der Beständigkeit der Mikropartikel wurden diese einer mechanischen und\oder thermischen Belastung ausgesetzt.

Ausgangssituation

Durch den Anstieg der Strombereitstellung durch fluktuierende Energieressourcen, wie z.B. Wind oder Solarstrahlung, und dem Ziel, den Primärenergieeinsatz möglichst schnell in klimaneutraler Weise zu realisieren, ergibt sich ein breiter und vielschichtiger Bedarf an Speichern: sowohl für die Stromspeicherung als auch für die Wärmespeicherung auf unterschiedlichen Temperaturniveaus.
Für viele industrielle Prozesse ist es notwendig, die Energiespeicherung in Form von Wärme so zu gestalten, dass diese flexibel und auch bei konstanter Temperatur ablaufen. Eine hohe Flexibilität bei der Energiespeicherung ist durch eine Trennung der Speicherleistung von der Speicherkapazität zu erreichen. Diese Trennung der Leistung von der Kapazität ist für die Kategorie der sensiblen thermischen Wärmespeicher technisch gelöst.
Ein Schwachpunkt dieser Konzepte ist, dass für den Transport des Speichermaterials vom Speicher zum Wärmeübertrager und vice versa, rotierende Komponenten wie z.B. ein Becherwerk oder eine Schnecke, zur Anwendung kommen. Sollte die Temperatur des Speichermediums hoch sein, kann jedoch genau diese Randbedingung einen limitierenden Faktor für die Transportkomponenten darstellen. Nachteilig bei der sensiblen Wärmespeicherung ist zudem, dass sich das Temperaturniveau des Speichermaterials mit steigender Wärmezu- bzw. -abfuhr mit ändert. Dies stellt nur dann kein Problem dar, wenn die Wärmeenergie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus oder einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau benötigt wird. Sollte die ausgespeicherte Energie jedoch im Bereich nahe dem gespeicherten Temperaturniveau benötigt werden, so bietet sich hier die latente Speichertechnologie dafür an.
Bei der latenten Wärmespeichertechnologie verhält es sich im Vergleich zur sensiblen Speicherung umgekehrt. Hier gibt es zur Trennung der Speicherleistung von der Speicherkapazität erst einige Ansätze, welche sich allerdings erst im Labormaßstab befinden. Dagegen kann die eingespeicherte Wärmeenergie bei konstanter Temperatur wieder ausgespeichert werden.
Die im Forschungsprojekt zu entwickelnde Mikropartikel und Speichertechnologie verbindet die Vorteile des sensiblen Energiespeichers, wie geringe Investitionskosten, exzellente Skalierbarkeit, stabiler Betrieb und Trennung von Leistung und Energie mit den Vorteilen des latenten Energiespeichers, wie die höhere Energiedichte und damit höhere Speicherkapazität pro m³ und die konstante Temperatur der Wärmeabgabe (Schmelzpunkt des PCM).