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Projekt
Wärmeübertragung in einem Festbett-Wärmespeicher mit einem Fluid mit niedriger Prandtl-Zahl
Antragstellerin
Dr.-Ing. Klarissa Niedermeier
Fachliche Zuordnung
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526152734
In diesem Projektantrag werden wissenschaftliche Methoden zur Effizienzsteigerung und Kostenreduzierung eines Festbett-Wärmespeichersystems als Schlüsselkomponente der Carnot-Batterie untersucht. Vorarbeiten haben gezeigt, dass ein solcher Speicher mit flüssigen Metallen als Wärmetransportflüssigkeit energieeffizienter arbeiten kann als mit herkömmlichen Flüssigkeiten, insbesondere bei niedrigen Porositäten im Schüttbett (d. h. hohem Feststoffanteil). Das Konzept kombiniert kostengünstige Füllkörper mit einer effizienten Wärmeübertragung durch Verwendung eines Wärmeträgerfluids mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Viskosität (Fluid mit niedriger Prandtl-Zahl, typischerweise Flüssigmetall). Durch wird eine Funktionstrennung ermöglicht: Einerseits kann das Wärmespeichermedium nach seinen Speicherparametern, z.B. große spezifische Wärmekapazität und Dichte und geringe Kosten, ausgewählt und optimiert werden; andererseits bietet das Wärmeträgerfluid hohe Wärmeübertragungsraten und wird nur in geringen Mengen benötigt. Flüssige Metalle bieten im Vergleich zu herkömmlichen Fluiden deutlich höhere Wärmeübertragungsraten, da ihre Wärmeleitfähigkeit um ein bis zwei Größenordnungen größer ist. Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Flüssigmetall als Wärmeträgerfluid den Einsatz des Wärmespeichers in einer Carnot-Batterie über einen flexiblen Temperaturbereich (z.B. mit Natrium im Temperaturbereich von 100°C bis >500°C). In der Literatur gibt jedoch bisher eine Lücke in Bezug auf Korrelationen für den Wärmeübergang in Festbetten für Flüssigkeiten mit niedriger Prandtl-Zahl. Deshalb konzentriert sich dieses Projekt auf die Anpassung einer Wärmeübergangskorrelation für die erzwungene Konvektion von Flüssigkeiten mit niedriger Prandtl-Zahl in Festbetten auf der Grundlage hochpräziser experimenteller Daten. Zu diesem Zweck wird eine projektspezifische Teststrecke entworfen, konstruiert und in einen bestehenden Flüssigmetallprüfstand integriert. Die gefundene Korrelation für den Wärmeübergang wird dann in ein bestehendes 2D-1D-Mehrskalenmodell aufgenommen, um die Parameter des Wärmeübergangsmodells zu verbessern, das im Mittelpunkt dieses Projekts steht. Dadurch kann die Simulation des Temperaturfeldes und darauf aufbauend des dynamischen Verhaltens im Lade-, Standby- und Entladezustand, die die Grundlage für die Effizienzbewertung und gezielte Auslegung von Speichersystemen hinsichtlich Kapazität, Geometrie, Material etc. bildet, optimiert und mit den Partnern innerhalb des Schwerpunktprogramms ausgetauscht werden. Zur Unterstützung des inversen Ansatzes und zur Förderung des Austausches mit den Partnern im Themenbereich B wird das 2D-1D-Multiskalenmodell bereits zu Beginn des Projektes zur schnellen Bewertung von Konzepten, Parametern, Spezifikation von Austauschdaten etc. eingesetzt.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
