Test und Validierung eines Partikel-Luft-Wärmeübertragers

Die Versorgung der Weltbevölkerung mit Energie aus nachhaltigen, umweltfreundlichen Quellen stellt eine der großen Herausforderungen der Gegenwart dar. Das Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt beschäftigt sich u.a. mit der technischen Nutzbarmachung von Solarenergie in Solarturmkraftwerken. In solchen Kraftwerken wird ein Wärmeträger mit Hilfe konzentrierten Sonnenlichts auf bis zu 1000 °C erhitzt. Die übertragene Wärme kann anschließend als Prozesswärme genutzt oder in elektrische Energie umgewandelt werden. Seit 2005 wird dabei ein Konzept für den Einsatz von gesinterten Bauxitpartikeln als Wärmeträger und Wärmespeichermedium in einer Solarturmanlage entwickelt. Zwar sind andere Wärmeträger wie Luft, Wasser oder Flüssigsalze ebenso denkbar und bereits im kommerziellen Einsatz, doch ermöglicht die Verwendung von Partikeln die dauerhafte Speicherung der Wärme, bei Betriebstemperaturen bis 1000 °C, zu voraussichtlich geringen Kosten. Zur Auskopplung der in den Partikeln gespeicherten Wärme wurde ein Wärmeübertragerkonzept für den direkten Wärmeaustausch zwischen Luft und Partikeln entwickelt. Dabei wird die Luft in mehreren Kreuzströmen durch ein bewegtes Partikelheißbett geführt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Montage und Inbetriebnahme eines auf Basis dieses Konzepts konstruierten Teststands, sowie eine erste Validierung. Für den Betrieb des Wärmeübertragers wurden diverse Komponenten am Teststand verbaut, die für den Einsatz in einem Solarturmkraftwerk nicht oder in anderer Weise notwendig sind. Die Partikel bewegen sich schwerkraftgetrieben vertikal durch den Teststand. Das oberste Bauteil ist dabei der Zuführbehälter, indem die Partikel elektrisch aufgeheizt werden. Nach ihrer Erwärmung werden die Partikel in den eigentlichen Wärmeübertrager geleitet. Im Wärmeübertrager durchströmt die zu erhitzende Luft eine dünne, bewegte Partikelsäule. Der Partikelmassenstrom wird dabei durch ein hydraulisches betriebenes System aus zwei Schwenkbalken (Oszillomat) kontrolliert, auf dem die Säule steht. Im Rahmen der Inbetriebnahme der einzelnen Bauteile konnten diverse Prozessverbesserungsmöglichkeiten aufgezeigt werden. Neben der Optimierung der Temperaturregelparameter und der Verringerung von Wärmeverlusten im Zuführbehälter betraf dies vor allem die Eindämmung von Leckagen innerhalb und außerhalb des Wärmeübertragers. Zudem konnte gezeigt werden, dass die strömungsbedingte Vermischung des Luftstroms ein bleibendes Temperaturprofil im Strömungsquerschnitt hinterlässt und daher Einbauten für eine Homogenisierung der Lufttemperatur erforderlich sind. Im Rahmen erster Wärmeübertragungsversuche konnte Luft auf 324 °C erhitzt werden, bei einer Partikeleintrittstemperatur von 550 °C. Damit ergab sich ein Wärmestrom von etwa 7,1 kW. Für eine Weiterentwicklung des Wärmeübertragerkonzepts sind die Wärmeverluste der Anlage einzudämmen und letztendlich eine Anpassung der Anlagenkapazität an den industriellen Maßstab vorzunehmen