Projekt modELTES - Model based engineering and control of latent heat thermal energy storages

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Projekt modELTES

Latentwärmespeicher (LWS) besitzen ein hohes Potential für die energetische Optimierung komplexer thermischer Energiesysteme, insbesondere für die Stabilisierung von Energieströmen und die Verbesserung des erzeuger- und verbraucherseitigen Energie- und (Spitzen-)Lastmanagements. Für industrielle Anwendungen sind insbesondere fest/flüssig-LWS mit Phasenwechseltemperaturen > 80°C interessant.

In der industriellen Praxis wird das volle Potential von LWS bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Zum einen werden Entscheidungen zum Design und Betrieb häufig nur auf Basis quasi-stationärer energetischer Betrachtungen getroffen, das dynamische Systemverhalten bleibt oft unberücksichtigt. Zum anderen kommen größtenteils nur konventionelle Regelungsstrategien zur Anwendung, welche auf die Regelung von Volumenströmen während des Ladens und Entladens beschränkt sind, und damit den Speicher nicht im optimalen Betriebspunkt betreiben.

Simulationssoftware ist ein bewährtes Werkzeug für die Analyse und regelungstechnische Optimierung energie- und verfahrenstechnischer Systeme. Kommerzielle Software beinhaltet häufig umfangreiche Bibliotheken physikalisch-chemischer Grundoperationen; Modelle für LWS sind jedoch bisher kaum verfügbar.

Das Projekt modELTES zielt auf die Entwicklung mathematischer Modelle zur Beschreibung von LWS, die in industrieller Standardsoftware zur Planung und Regelung eingesetzt werden können. Ein detailliertes physikalisches Modell berücksichtigt verschiedene Phänomene im Phasenwechsel zwischen Schmelz- und Erstarrungsvorgängen wie z.B. Temperaturhysterese, Kinetik in der Übergangsphase, sowie Super-/Subcooling beim Erstarren. Die thermophysikalischen Eigenschaften der Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) weisen zudem starke Temperaturabhängigkeiten auf.

Ein weiteres Ziel des Projektes ist ein verbessertes Verständnis für die bei Phasenwechselvorgängen von PCM auftretenden physikalischen Phänomene. Gestützt durch experimentelle Analysen und validierte Prozessmodelle werden dynamische Modelle experimentell validiert und in relevanten Softwareprogrammen mit echtzeitfähigen Simulationszeiten implementiert. Zur Validierung computergestützter Anlagenplanung und Auslegung von regelungstechnischen Einrichtungen werden LWS-Modelle und Software-Tools in industriellen Projekten mit dynamischer Wärmeintegration eingesetzt. Untersucht werden unterschiedliche Beladungsszenarien sowie komplexe (parallele, serielle, kaskadische) Speicherkonfigurationen und Regelungsstrukturen.

Alle modELTES-Aktivitäten werden in einem interdisziplinären Team unter Bündelung der Expertisen aus den Bereichen Verfahrenstechnik, angewandte Mathematik und Wissenschaftliches Rechnen, Angewandte Physik, Automation sowie Regelung durchgeführt.

Konsortium:

Acknowledgements

Project modELTES

Latent heat thermal energy storages (LHTES) have a high potential for significant improvements in plant performance. They allow for stabilization of energy flows and improved peak power and demand side management. For LHTES solid/liquid systems with industrial relevant phase change temperatures exceeding 80°C are of high interest.

In practice, the full potential of LHTES is not exploited for two reasons. First, the design and operation of LHTES is mostly carried out in view of quasi-static energy duties, rather than dynamic heat integration. Second, conventional control strategies are simple and restricted to fluid flow control for charging and discharging of the storage.

Although the model-based analysis and optimization is well established in industrial practice for a large number of unit operations, it is not yet applied for thermal networks with LHTES systems. The main reason is that there are no suitable model libraries of LHTES devices for state-of-the-art software tools.

modELTES aims at developing LHTES models which can be applied in standard engineering and control software. For a suitable first principle model, multiple phenomena in the phase transition of melting and solidification have to be considered, e.g. a temperature hysteresis, kinetics in the phase transition, super-/subcooling at solidification. The thermo-physical properties of the phase change materials (PCM) also show strong temperature dependency.

A further goal of modELTES is an improved physical understanding of the phenomena in the phase transition of PCM which is supported not only by experimental analysis but also by validated first principles models. Dynamical models will be experimentally validated and implemented in relevant software with simulation times suitable for real-time applications.

To validate the computer aided design and control engineering approach, the LHTES models and software tools will be used in industrial projects for dynamic heat integration under variable load conditions with complex (parallel, serial, cascade) storage configurations and control structures.

In the modELTES initiative, all activities will be carried out in an interdisciplinary team bundling expertise from process technology and engineering, applied mathematics and scientific computing, applied physics and automation and control.

Consortium

• AIT Austrian Institute of Technology GmbH (Coordinator), Vienna
• Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (IWR), Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• VOIGT+WIPP Engineers GmbH, Vienna

Acknowledgements