High-Resolution Measurements and CFD-Simulations of a Large Water Thermal Energy Storage

Thermal Energy Storage systems are essential in district heating networks, as they temporally decouple generation and demand. This allows to shift a surplus in generation capacity to cover a peak in load. A seasonal thermal energy storage system can thus use solar thermal power, which is abundant during summer, to supply heat during winter. The bigger a storage's capacity, the more effective it supplants fossil energy sources in a network. Short-term storage systems allow a network to react to quick oscillations. This facilitates more effective use of renewable energy sources and can help increase the efficiency of conventional fossil power plants as well.

Water-based thermal energy storage systems use water to store energy by supplying hot water during charging and removing it during discharging. The tank of such a storage system is always filled with water, only the portion of hot water changes with its state of charge. Since hot water is less dense than cold water, a stable thermal stratification develops. This is beneficial for the usage of the stored energy, as this causes a higher temperature level for longer during a discharge process. However, the flow patterns inside the storage, caused by charging, discharging, natural convection and heat loss to the environment, interact with the thermal stratification, most importantly the thermocline between the hot and cold parts of the storage. In this work, a numerical model is developed with the help of temperature measurement data from inside a large short-term thermal energy storage, which allows to investigate the flow patterns and their effects.

A two-dimensional model, created in COMSOL Multiphysics, is successfully validated for different operational scenarios. Energy and exergy content, as well as the thermocline dynamics, namely its position and width, show good agreement with the measurement data. A parameter study encompassing charging speed, temperature levels and temperature difference, insulation thickness and storage aspect ratio is performed concerning their effect on system efficiency. In this case, a variation of the charging speed shows no significant effects, as the size of the radial diffusers prevents severe mixing processes from occurring. The temperature levels and differences should mainly be set by operational parameters, as no clear advantages of any variant could be identified. The insulation thickness not only influences the heat loss through the conductive thermal resistance across the wall, but also through a change in the intensity of the convection current inside the storage. By increasing the insulation thickness, the heat loss to the environment is reduced slightly more than would initially be expected. The investigation of the aspect ratio produces no all-encompassing recommendation for every storage. A higher aspect ratio increases the usable effective volume portion of the storage, as the relative volume lost to the thermocline is reduced. In turn, heat losses to the environment are increased.

Additionally, a simplified model is developed, which is able to predict the storage behavior with significantly reduced computational effort. In contrast to traditional simplified nodal models, the presented approach merges and splits nodes of equal temperature dynamically. During charging and discharging, the entire node structure is shifted up or down. This results in a smaller amount of nodes to achieve the same accuracy. The presented model, which also accounts for heat losses to the environment and heat conduction inside of the storage, is validated using measurement data and the high-resolution numerical model.

In Fernwärmenetzen sind Wärmespeicher wichtige Systeme, welche die Erzeuger- und Verbraucherseite zeitlich entkoppeln. Damit lässt sich ein Überschuss an Erzeugungskapazitäten so verschieben, dass ein Engpass zu einer anderen Zeit ausgeglichen werden kann. So kann zum Beispiel mittels eines saisonalen Wärmespeichers von Solarthermie im Sommer zur Verfügung gestellte Wärme im Winter genutzt werden. Je größer die Speicherkapazitäten, desto effektiver können fossile Energieträger in einem Netz ersetzt werden. Kurzzeitwärmespeicher hingegen erlauben es, auf kurzfristige Schwankungen zu reagieren. Dies erlaubt eine effektivere Nutzung erneuerbarer Energien und kann auch bei herkömmlichen Energieträgern zum effizienteren Betrieb eines Kraftwerks beitragen.

In Wasserwärmespeichern wird Energie gespeichert, in dem Wasser beim Beladen hinzugefügt und beim Entladen entnommen wird. Hierbei ist der Speicher immer mit Wasser gefüllt; einzig der Anteil warmen Wassers im Speicher verändert sich mit dem Beladezustand. Da warmes Wasser eine geringere Dichte aufweist als kaltes Wasser, stellt sich eine Temperaturschichtung im Speicher ein. Für die Nutzung der gespeicherten Energie ist eine klare Schichtentrennung vorteilhaft, da so beim Entladen Wasser bei einem hohen Temperaturniveau länger zur Verfügung steht. Allerdings interagieren Strömungsprozesse im Speicher, ausgelöst durch Be- und Entladung, natürliche Konvektion sowie den Wärmeverlust an die Umgebung, mit der Temperaturschichtung und insbesondere der Trennschicht zwischen warmen und kalten Bereich. In dieser Arbeit wird nun mittels Temperaturmessdaten aus einem großen Kurzzeit-Wasserwärmespeicher ein numerisches Modell aufgebaut, mit welchem diese Strömungsvorgänge und ihre Auswirkungen beobachtet werden können.

Ein in COMSOL Multiphysics erstelltes, zweidimensionales, numerisches Modell kann für unterschiedliche Betriebsszenarien erfolgreich validiert werden. Hierbei besteht bei Betrachtung des Energie- und Exergiegehalts, sowie dem Verhalten der Trennschicht bezüglich -dicke und -position eine gute Übereinstimmung zu den Messdaten. Die Parameter Beladungsgeschwindigkeit, Temperaturspreizung und -niveaus, Stärke der Isolierung und Höhen-Durchmesser-Verhältnis werden auf ihren Einfluss auf die Effizienz des Speichers untersucht. Beim untersuchten Speicher zeigt sich, dass eine Variation der Beladungsgeschwindigkeit keinen signifikanten Einfluss auf das Verhalten des Speichers hat, da die Be- und Entladetassen durch ihre Größe starke Durchmischungsprozesse verhindern. Die Temperaturspreizung und -niveaus sollten hauptsächlich auf Basis der Prozessumgebung gewählt werden, da auch hier keine klaren Vorteile einzelner Varianten festgestellt werden konnten. Es zeigt sich, dass die Stärke der Isolierung nicht nur durch eine Variation des konduktiven Wärmewiderstands Einfluss auf den Wärmeverlust des Speichers hat, sondern auch durch eine Veränderung der Konvektionsströmung innerhalb des Wassers den Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen Wasser und Speicherwand beeinflusst. Somit wird durch zusätzliche Dämmung der Wärmeverlust leicht über das zu erwartende Maß reduziert. Es kann durch die Untersuchung des Höhen-Durchmesser-Verhältnisses keine allgemeingültige Empfehlung für Wasserwärmespeicher abgegeben werden. Hohe Höhen-Durchmesser-Verhältnisse bieten ein größeren nutzbaren Anteil des Speichers, da die Trennschicht ein kleineres Volumen einnimmt als bei kleineren Höhen-Durchmesser-Verhältnissen. Im Gegenzug sind hier geringere Wärmeverluste zu beobachten.

Des Weiteren wird ein vereinfachtes Modell entwickelt, welches, mit erheblich geringerem Rechenaufwand als ein detailliertes numerisches Modell, das Speicherverhalten in Netzwerksimulationen abbilden kann. Hierbei wird im Gegensatz zum klassischen eindimensionalen Schichtenmodell mit konstanten Schichtvolumina ein Ansatz gewählt, bei dem einzelne Zonen gleicher Temperatur dynamisch zusammengefasst und getrennt werden. Bei Be- und Entladung werden alle Zonen nach unten oder oben verschoben. Durch diese Flexibilisierung wird eine geringe Anzahl an Zonen für eine dennoch hohe Präzision benötigt. Das vereinfachte Modell, welches auch Wärmeverluste an die Umgebung und Wärmeleitung innerhalb des Speichers berücksichtigt, wird anhand der erhobenen Messdaten und des detaillierten Modells erfolgreich validiert.