Im Rahmen der Energiewende nehmen thermische Energiespeicher eine wichtige Rolle in der mittel- bis langfristigen Energiespeicherung erneuerbarer Energien ein. Dabei können thermische Schichtenspeicher grundsätzlich hohe exergetische Effizienzen erreichen, sofern die thermische Schichtung mit hohen Temperaturgradienten in der Thermokline lange aufrecht erhalten bleibt. Da typische Speicherseitenwände aus Metall als Wärmebrücke zwischen den Schichtungszonen wirken und parasitäre Wandschichtströmungen entlang der vertikalen Wände anregen, sorgen sie für eine Reduktion der Speichereffizienz. Da die hohen statischen Belastungen sowie korrosive Eigenschaften verschiedener Speicherfluide den Austausch des Wandmaterials nicht einfach erlauben, müssen die Wandschichtströmungen besser verstanden werden, um sie dann gezielt durch andere Maßnahmen vermeiden zu können. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher mit Hilfe messtechnischer, analytischer und numerischer Methoden die parasitären Strömungen und damit einhergehende physikalische Phänomene charakterisiert. Die Untersuchungen basieren maßgeblich auf optischen Strömungs- und Temperaturmessungen, welche in einem eigens entwickelten Modellexperiment eines thermischen Schichtenspeichers durchgeführt werden. Nach einer exergetischen Analyse der Modellzelle und numerischen Voruntersuchungen werden zeitgemittelte und zeitaufgelöste Messungen der parasitären Strömungen durchgeführt. Die zeitgemittelten Messungen zeigen zwei gegenläufige Wandschichtströmungen, welche in der Thermokline abgebremst werden und Rückströmungsgebiete ausbilden. Mittels einer Skalierungsanalyse sind diese Effekte auf die hohen Dichtegradienten innerhalb der Thermokline zurückzuführen. Anhand der zeitaufgelösten Messungen wurden dominante Frequenzen in der Wandschichtströmung auf den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung zurückgeführt. Zudem wird gezeigt, dass im Fernfeld der Wand weitere periodische Oszillationen angeregt werden, welche die thermische Schichtung weiter durchmischen. In abschließenden Untersuchungen an einem großskaligen Salzschmelzenspeicher werden die gleichen Fluktuationen nachgewiesen und es wird gezeigt, dass sie in den Randbereichen der Thermokline verursacht werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit die Grundlagen, um zukünftige Schichtenspeicher gezielt verbessern zu können und so deren Effizienz zu steigern.
In the energy transition context, thermal energy storage systems (TES) play an essential role in medium to long-term energy storage of renewable energies. In principle, thermally stratified TES can achieve high exergetic efficiencies, provided the thermal stratification with high temperature gradients in the thermocline is maintained for a long time. Since typical storage side walls made of metal act as a thermal bridge between the stratification zones and stimulate parasitic wall convection along the vertical sidewalls, they cause a reduction in storage efficiency. Since the high static loads and corrosive properties of various storage fluids do not simply allow the wall material to be replaced, the wall convection must be better understood so that other measures can specifically avoid them. Within the scope of this work, the parasitic flows and associated physical phenomena are characterized with the help of metrological, analytical, and numerical methods. Thus, more efficient stratified storage tanks can be designed in the future. The investigations are mainly based on optical flow and temperature measurements, carried out in a specially developed model experiment of a thermally stratified storage tank. After an exergetic analysis of the model cell and numerical preliminary investigations, time-averaged and time-resolved measurements of the parasitic flows are carried out. The time-averaged measurements show two opposing wall jets, which are slowed down in the thermocline region and form flow reversals. These effects can be attributed to high density gradients within the thermocline using a scaling analysis. Based on the time-resolved measurements, dominant frequencies in the wall jets could be attributed to the transition from laminar to turbulent flow. In addition, it is shown that further periodic oscillations are triggered in the far field of the wall, which further mixes the thermal stratification. In final investigations on a large-scale molten salt TES, the same fluctuations are detected, and it is shown that they originate from the boundary regions of the thermocline. Overall, the results of this work provide the basis for target-oriented improvements of future stratified TES for increased efficiency.
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