Das Projekt ist Teil der Energie-Vorzeigeregion NEFI zur Dekarbonisierung der Industrie. Darin wird an effizienten thermischen Speichertechnologien für Industrieprozesse geforscht. Die Motivation für neue innovative Lösungen sind einerseits die Steigerung des Anteils erneuerbarer Energieträger im Stromnetz und andererseits die fortschreitende Dekarbonisierung. Beide Faktoren erfordern zukünftig eine drastische Kapazitätserhöhung der thermischen Energiespeicher in bestehenden Industrieanlagen bzw. Industrieprozessen.

Mit HyStEPs wurde ein innovatives Hybridspeicherkonzept entwickelt und getestet, um mittelfristig die Speicherkapazität von sogenannten „Ruths-Dampfspeichern“ um bis zu 40 % zu erhöhen. Dazu wurde ein Speicher als Labormuster mit Latentwärmespeicherelementen ummantelt. Diese speziellen Speicherelemente enthalten Phasenwechselmaterial (PCM), in diesem Fall technische Salzmischungen, die eine hohe Speicherdichte aufweisen. Die PCM-Ummantelung ermöglicht es, bei annähernd gleicher Baugröße, deutlich größere Energiemengen zu speichern. Das Belade- und Entladeverhalten des Dampfspeichers soll auch bei der erhöhten Speicherkapazität möglichst unverändert bleiben.

Ein Prototyp des neuartigen Hybridspeichers wurde in der Laborumgebung der voestalpine Stahl Donawitz GmbH aufgebaut und getestet. Dazu wurde Dampf aus dem bestehenden Dampfnetz abgezweigt und unter Laborbedingungen in den Speicher eingeleitet. Sowohl der Dampfspeicher als auch die PCM-Elemente sind dabei mit einer Vielzahl an Messgeräten verbunden, um zu jedem Zeitpunkt den thermodynamischen Zustand des Speichers erfassen und sein dynamisches Verhalten ermitteln zu können. Auf Basis der hier gewonnenen Erkenntnisse soll das Konzept weiterentwickelt und auf andere Speicher übertragen werden.

Folgende Aspekte standen im Zentrum des Projekts:

  • thermische Anbindung der Latentwärmespeicherelemente an den Dampfspeicher
  • Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials durch Wärmeleitstrukturen
  • Korrosionsverhalten der Materialkombinationen
  • Festigkeitsberechnungen
  • neue Methoden zur mathematischen Modellierung, Simulation und Regelung des Verhaltens von Hybridspeichern
Hybridspeicherbehälter

© voestalpine & AIT/ Kiedl & Drexler-Schmid

Videopräsentation

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HyStEPs - A novel hybrid thermal energy storage prototype for efficient industrial processes

  1. Hofmann R, Dusek S, Gruber S, Drexler-Schmid G. Design Optimization of a Hybrid Steam-PCM Thermal Energy Storage for Industrial Applications. Energies. 2019; 12(5):898.
  2. Kasper L. Modeling of the Phase Change Material of a Hybrid Storage using the Finite Element Method. TU Wien Academic Press; 2020.
  3. Kasper L, Pernsteiner D, Koller M, Schirrer A, Jakubek S, Hofmann R. Numerical studies on the influence of natural convection under inclination on optimal aluminium proportions and fin spacings in a rectangular aluminium finned latent-heat thermal energy storage. Applied Thermal Engineering. 2021, 190.
  4. Pernsteiner D, Schirrer A, Kasper L, Hofmann R, Jakubek S. State estimation concept for a nonlinear melting/solidification problem of a latent heat thermal energy storage. Computers & Chemical Engineering. 2021; 153.
  5. Pernsteiner D, Kasper L, Schirrer A, Hofmann R, Jakubek S. Co-simulation methodology of a hybrid latent-heat thermal energy storage unit. Applied Thermal Engineering. 2020; 178.
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  7. Kasper L, Pernsteiner D, Schirrer A, Jakubek S, Hofmann R. Experimental characterization, parameter identification and numerical sensitivity analysis of a novel hybrid sensible/latent thermal energy storage prototype for industrial retrofit applications. Applied Energy. 2023; 344.