Entwicklung eines Simulations- und Versuchsmodells für einen Beton-Mehrzonenwärmespeicher

Bearbeitungszeitraum

01.11.2015 - 30.04.2019

Industriepartner

Betonwerk Ribnitz GmbH, Pantlitz

Ziel des Kooperationsprojektes

Bei zahlreichen Prozessen in der Industrie fallen große Mengen von Abwärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an, die oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden.

In einem vom TBI M-V geförderten FuE-Kooperationsprojekt entwickelt die Hochschule Wismar gemeinsam mit dem Industriepartner, der Betonwerk Ribnitz GmbH, einen neuartigen, energieeffizienten Mehrzonenwärmespeicher (MZWS) auf Betonbasis, der die kurz- bis mittelfristigen Speicherung von Abwärme auf einem Temperaturniveau bis ca. 400 °C ermöglichen soll.

Konzeption des Mehrzonenwärmespeichers

Die um den Speicherkern angeordneten Wärmespeicherzonen sind durch Zwischendämmungen voneinander getrennt (Abbildung 1). Dieses Schichtungssystem führt zu einem verzögerten Wärmetransport von innen nach außen, und damit stellen sich in den unterschiedlichen Wärmespeicherzonen in Abhängigkeit von der zugeführten Wärmemenge und der aus den Speicherzonen abgeführten Wärmemengen unterschiedliche Temperaturen mit einem fallenden Gradienten von innen nach außen ein (z.B. 330 °C im Kern, 120 °C in der Wärmezone 1 und 25 °C in der Wärmezone 2). Dabei liegt der Temperaturgradient zwischen der äußeren Wärmespeicherzone und der Umgebung auf deutlich niedrigerem Niveau gegenüber einem Einzonenwärmesspeicher (s. Abbildung 2). Dadurch lassen sich die Transmissionswärmeverluste an die Umgebung aufgrund des kleinen entstehenden Temperaturgradienten stark reduzieren. Die in den verschiedenen Speicherzonen zur Verfügung stehende Wärmeenergie kann bedarfsgerecht auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden. Die Restwärme des Kern-Beladerücklaufs kann auch zur Beladung der kühleren Wärmespeicherzone genutzt werden, so dass eine energieeffiziente Ausnutzung der Wärmequelle gewährleistet ist.

Abb. 1: CAD-Modell des Pilotspeichers mit jeweils zwei außenliegenden Wämespeicherzonen und zentralem Speicherkern (bestehend aus neun übereinanderliegenden Speichermodulen)

Ergebnisse

Im ersten Schritt wurde eine spezielle Betonrezeptur entwickelt, die eine gute Hitzebeständigkeit, eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine große Wärmespeicherkapazität garantiert.

Des Weiteren wurde ein Modell des Mehrzonenwärmespeichers im Labormaßstab entworfen und aufgebaut, mit dem die unterschiedlichsten dynamischen Belade- und Entladeszenarien untersucht und die jeweiligen Wärmemengenströme bilanziert werden können.

Abb. 2:  Temperaturprofile der Kernzone, der Speicherzone 1 und der außenliegenden Speicherzone 2 während eines Aufladezyklus; der geringe Temperaturgradient zwischen der Speicherzone 2 und der Umgebung führt zur Minimierung der Transmissionswärmeverluste des Wärmespeichers

Ausblick

Bis Ende 2018 soll auf dem Gelände des Betonwerks Ribnitz ein Pilotwärmespeicher entstehen, mit dem die erwarteten Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz und der variablen Wärmenutzung in einem Praxistest demonstriert werden sollen.