BimeRi Fertigungstechnologie für ein Bimetall-Längsrippenrohr für die Anwendung in Latentwärmespeichern

Die Reduktion der Treibhausgasemissionen (bezogen auf 1990) sowie die Erhöhung der Energieeffizienz um 20% bis 2020 wurden von der europäischen Union als Ziel gesetzt. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen ist es notwendig den Anteil erneuerbarer Energieträger am Bruttoendenergieverbrauch sowie die Energieeffizienz zu erhöhen. Dies führt dazu, dass für die nächsten Jahrzehnte die erneuerbare Energieerzeugung, die Energiespeicherung sowie die Energieverteilung zu einem wichtigen und stark wachsenden Markt werden und somit auch zu einem wichtigen Thema in Forschung und Entwicklung. Die Speicherung thermischer Energie ist eine Sonderform der Energiespeicherung. Neben der simplen Ein- und Ausspeicherung von Wärme können thermische Energiespeicher im Zuge der Einbindung in thermodynamische Prozesse (Rankine, Brayton,…) auch eine attraktive Methode der Stromspeicherung darstellen. Um die thermische Energie von z.B. überhitztem Dampf zu speichern, wird ein Speicher auf Basis latenter Wärme als Subsystem benötigt um die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme exergetisch günstig speichern zu können. Die am meisten diskutierten Speichermedien für Latentwärmespeicher sind Salze und ihre Eutektika. Diese weisen jedoch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Zur Überwindung dieser Wärmetransportlimitierung in Latentwärmespeicher sollen z.B. Rippenrohre eingesetzt werden um eine hohe spezifische Oberfläche zu erzielen. Für die Einbindung eines Latentwärmespeichers in Kraftwerks- und Industrieprozesse, dessen Rippenrohre aus Aluminium gefertigt wurden, ist ein reines Aluminiumrohr aufgrund seiner Festigkeitswerte nicht geeignet. Es ist daher notwendig, die höhere Warmfestigkeit des Stahls mit der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums zu kombinieren. Um die Eigenschaften beider Materialien in einem Wärmeübertragerrohr zu realisieren ist es notwendig, das Rohr als Bimetall-Rippenrohr auszuführen. Ziel des vorliegenden Sondierungsprojektes ist es eine Technologie zu entwickeln, welche die Fertigung von Bimetall-Rohren mit Längsrippen, welche für den Einsatz in Latentwärmespeicher geeignet ist, zu entwickeln. Diese Innovation zielt auf Einfachheit und Kosteneffizienz ab. Angestrebt werden Erkenntnisse über das validierte Design-Konzept für den Fertigungsprozess, gesicherte Aussagen über die mechanische Verbindung zwischen den beiden Rohren unter Betriebsbedingungen im Latentwärmespeicher. Konkrete Rahmenbedingungen für eine weitere Industrielle Forschung und letztlich über die sinnvolle Vermarktung runden das Ergebnis ab.

Ausgangssituation

Um thermische Energie von z.B. überhitztem Dampf zu speichern, wird ein Speicher auf Basis latenter Wärme als Subsystem benötigt um die Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme exergetisch günstig speichern zu können. Die am meisten diskutierten Speichermedien für Latentwärmespeicher sind Salze und ihre Eutektika. Diese weisen jedoch eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Zur Überwindung dieser Wärmetransportlimitierung in Latentwärmespeicher können z.B. Rippenrohre eingesetzt werden um eine hohe spezifische Oberfläche zu erzielen. Für die Einbindung eines Latentwärmespeichers in Kraftwerks- und Industrieprozesse, dessen Rippenrohre aus Aluminium gefertigt wurden, ist ein reines Aluminiumrohr aufgrund seiner Festigkeitswerte nicht geeignet. Es ist daher notwendig, die höhere Warmfestigkeit des Stahls mit der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums zu kombinieren. Um die Eigenschaften beider Materialien in einem Wärmeübertragerrohr zu realisieren ist es daher notwendig, das Rohr als Bimetall-Rippenrohr auszuführen. Die primäre Herausforderung bei der gesuchten mechanischen Verbindung von Stahlrohr mit Aluminium(rippen)rohr sind die großen Temperaturdifferenzen zwischen den Betriebs- und Stillstandszeiten des Speichers. Während der Stillstandszeiten des Wärmespeichers kann dieser, ausgehend von der Betriebstemperatur des Speichers, welche abhängig von der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials bis ca. 360°C betragen kann, bis auf Umgebungstemperatur abkühlen. Aufgrund dieser großen Temperaturunterschiede und der unterschiedlichen Materialien des Rippenrohres ergeben sich wesentliche Differenzdehnungen im Durchmesser wie auch in der Länge. Die Kompensation dieser Differenzen ist, neben dem Anspruch der Beibehaltung einer immer gewährleisteten Anpresskraft über den gesamten Temperaturbereich, eine wesentliche Herausforderung an die Verbindung.