In industriellen Prozessen entstehen große Mengen an Wärme, die häufig nicht unmittelbar genutzt werden können. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass Wärmeangebot und -bedarf zeitlich oft nicht zusammenfallen. Thermische Energiespeicher können diese Lücke schließen, indem sie überschüssige Wärme aufnehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung stellen. Die Rückgewinnung und Speicherung industrieller Abwärme bietet daher ein großes Potenzial, um die Energieeffizienz zu steigern und Treibhausgasemissionen zu reduzieren.
Besonders interessant sind dabei sogenannte Schüttbett-Wärmespeicher (Packed Bed Thermal Energy Storage, PBTES). Diese funktionieren, indem beispielsweise heiße Luft durch ein Speichermaterial aus festen Partikeln strömt und die Wärme direkt auf das Material überträgt. Beim Entladen wird dieser Prozess umgekehrt.
Forschende der TU Wien haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich der Zustand eines solchen Wärmespeichers während des Betriebs präzise bestimmen lässt. Die Arbeit verbindet dabei mehrere Forschungsgebiete: die Modellierung verteilter physikalischer Systeme, mathematische Modellreduktion, optimale Sensorplatzierung, regelungstechnische Zustandsbeobachtung und Online-Parameteridentifikation.
Wissen, was im Inneren passiert
Eine zentrale Herausforderung beim Betrieb eines Schüttbett-Wärmespeichers besteht darin, seinen tatsächlichen inneren Zustand zu kennen. Zwischen dem heißen und dem kalten Bereich bildet sich eine relativ schmale Übergangszone, die sogenannte Thermokline. Ihre Position, Form und Stabilität haben unmittelbaren Einfluss darauf, wie effizient der Speicher arbeitet und wie viel der gespeicherten Energie tatsächlich genutzt werden kann.
„Eine vollständige Messung der räumlichen Temperaturverteilung würde eine große Zahl von Sensoren im Inneren des Speichers erfordern. Gerade unter den hohen Temperaturen und rauen Bedingungen industrieller Anlagen ist das technisch aufwendig und teuer“, erläutert Stefan Jakubek das Problem.
Genau hier setzt die neue Methode an: Die Forschenden entwickelten ein Schätzverfahren, das ausgehend von einem mathematischen Modell des Prozesses und aus einer Handvoll gezielt platzierter Temperatursensoren auf die gesamte räumliche Temperaturverteilung im Speicher schließen kann. „Das mathematische Modell ergänzt damit gewissermaßen jene Informationen, die nicht unmittelbar durch Sensoren gemessen werden können“, erklärt René Hofmann.
Komplexe Physik für den laufenden Betrieb
Um die komplexen Vorgänge im Wärmespeicher vereinfacht darzustellen, nutzen die Forschenden ein mathematisches Verfahren. So können sie schneller berechnen, wie sich die Temperaturgrenze zwischen heißem und kaltem Material im Speicher bewegt. Dabei bleiben die für diese Bewegung entscheidenden Eigenschaften des ursprünglichen Modells erhalten. Außerdem wird untersucht, an welchen Positionen Temperatursensoren besonders viele Informationen über den Gesamtzustand des Speichers liefern.
Die neue Methode rekonstruiert nicht nur die Temperaturverteilung, auch die Wärmeübertragung zwischen dem durchströmenden Gas und dem Speichermaterial wird geschätzt. „Mit diesem Parameter gelingt es uns zu beschreiben, wie effektiv Wärme zwischen Gas und Feststoff übertragen wird“, sagt Martin Kozek. „Das eröffnet eine weitere interessante Perspektive.“ Dadurch können Veränderungen des Wärmeübergangs Hinweise auf Veränderungen im Speicher geben.
Perspektive: Wartung nach Anlagenzustand
In industriellen Anwendungen können beispielsweise staubbeladene Gasströme langfristig zu Ablagerungen führen und damit den Wärmeübergang verschlechtern. Eine kontinuierliche Parameterschätzung könnte daher künftig nicht nur einen energieeffizienten Betrieb unterstützen, sondern auch Informationen über den Anlagenzustand liefern und eine zustandsabhängige Wartung ermöglichen.
