HyStEPs - Hybrid Storage for efficient Processes

Das Projekt HyStEPs - Hybrid storage for efficient processes 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.

Projektbild Pernsteiner

© E325

Projektbild Pernsteiner

© E325

Projektbeschreibung

Zwei Faktoren erfordern in Zukunft eine drastische Kapazitätssteigerung der thermischen Energiespeicherung in bestehenden Industrieanlagen und Prozessen.

  1. die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien am Netz
  2. die fortschreitende Dekarbonisierung

Eine weit verbreitete und bewährte Speichertechnologie ist der Ruths Dampfspeicher (RSS). Es wird seit langem in einer Vielzahl von Branchen wie der Lebensmittel-, Getränke-, Papier- und Metallindustrie eingesetzt. Die Motivation des Projekts HyStEPs ist es, die Speicherkapazität bestehender Dampfspeicher durch den Anschluss von Wärmespeichern (LHTES) mit latenter Wärme zu erhöhen. Ziel von HyStEPs war es, ein solches innovatives Hybridspeicherkonzept zu entwickeln und experimentell zu testen, um die Speicherkapazität des Ruths Dampfspeichers zu erhöhen. Ein besonderer Schwerpunkt unseres Instituts in diesem Projekt ist die zuverlässige Abschätzung des Ladezustands, um den neuartigen Speichertyp voll ausschöpfen zu können.

Das RSS enthält sowohl Wasser im flüssigen als auch im Dampfzustand und kann als im thermischen Gleichgewicht befindlich angesehen werden. Im thermischen Gleichgewicht beschreiben aggregierte Messungen wie Temperatur und Masse (z.B. über den Füllstand) den Gesamtsystemzustand, und der Ladezustand kann bestimmt werden.

Die LHTES-Module, die das RSS umgeben, sind gefülltes Phasenwechselmaterial (PCM). Das PCM speichert Energie während des Phasenübergangs bei nahezu konstanter Temperatur. Aufgrund der komplexen Energie-Temperatur-Abhängigkeit und der geringen Wärmeleitfähigkeit von PCM kann der Ladungszustand nicht direkt gemessen werden, so dass ein geeigneter modellbasierter Beobachter erforderlich ist.

Der entwickelte Beobachter ist in der Lage, nichtlineare verteilte Parametersysteme zu handhaben, wie sie im vorliegenden Phasenänderungsproblem auftreten. Die Methode basiert auf einem hochgeordneten, aber echtzeitfähigen Finite-Elemente-Modell für das PCM, das zur Vorhersage zukünftiger Zustände verwendet wird. Dieses Vorhersagemodell wird sukzessive linearisiert und dann durch ausgewogene Kürzung effizient reduziert, um ein Beobachtermodell nur mit dominanten Moden zu erhalten. Die Matrizen des Beobachtermodellsystems dienen als Jacobianer in einem erweiterten Kalman-Filter, und eine Zustandsaktualisierung des Vorhersagemodells wird entsprechend der Differenz zwischen den Messungen und den vorhergesagten Modellausgaben berechnet. Dabei kombiniert der Beobachter Temperatur- und Volumenmessungen.

Es ist zu sehen, dass ein Beobachter dieser Form gut konvergiert und unempfindlich gegen Modellfehler ist. Die Reduzierung von Staaten schränkt die Interventionsmöglichkeiten des Beobachters ein. Der Beobachter berechnet die Korrektur des nichtlinearen Vorhersagemodells auf Basis der reduzierten Zustände und kann das System somit nur entsprechend seinem dominanten Verhalten korrigieren. Die Gesamtenthalpie und damit der Ladezustand kann mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.

Videopräsentation

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HyStEPs - Hybrid storages for efficient processes

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