Systemsimulationsuntersuchungen einer Carnot-Batterie mit Fokus auf Rückverstromungskonzepte

Abstract

Der steigende Anteil an erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung erhöht den Bedarf an Speichern, um Schwankungen in der Produktion auszugleichen. Eine Möglichkeit dazu sind Carnot-Batterien, die (überschüssigen) Strom thermisch speichern und bei Bedarf über thermodynamische Prozesse wieder rückverstromen. Ziel dieser Masterarbeit war es, Rückverstromungsmöglichkeiten für Carnot-Batterien für Arbeitsmitteltemperaturen bis 500 °C anhand eines konkreten Use-Cases zu untersuchen. Dafür wurden Simulationsuntersuchungen durchgeführt: Mit Engineering Equation Solver (EES) wurde das Potenzial verschiedener Schaltungen analysiert. Aus diesen Ergebnissen wurde ein Konzept zur weiterführenden Simulation in Dymola/Modelica ausgewählt. Dort wurde überprüft, ob das Programm zur Simulation der Rückverstromungsprozesse geeignet ist. In EES wurden Steam-Rankine-Prozesse und Brayton-Prozesse mit überkritischem CO2 und Stickstoff als Arbeitsmedium simuliert. Organic-Rankine- (ORC-) Prozesse wurden ausgeschlossen, sie werden nur bis ca. 300 °C eingesetzt. Der Rückverstromungs-prozess arbeitet nach dem Kraft-Wärme-Kopplungsprinzip, im Kondensator wird Nahwärme bereitet. Er ist auf die Winterbedingungen des Nahwärmenetzes ausgelegt. Das SteamRankine-Basisszenario hat mit rund 97,4 % von allen Prozessen den höchsten Nutzungsgrad, der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 23,7 %. Die Parameterstudie zeigt, dass der elektrische Wirkungsgrad mit sinkenden Speichertemperaturen abnimmt, während der Nutzungsgrad steigt. Dasselbe gilt für tiefere Verdampferdrücke und einen niedrigeren inneren isentropen Turbinenwirkungsgrad. Der Steam-Rankine-Basisprozess wurde als Schaltung mit dem höchsten Nutzungsgrad für die Dymola/Modelica Simulation ausgewählt. Schwierigkeiten aufgrund des verwendeten Dampferzeugermodells aus der TransiEnt Library wurden durch eine Zweiteilung des Kreislaufs gelöst. Das simulierte Modell ist für die Nahwärmebedingungen im Sommer mit 400 kWtherm nicht geeignet, da der Frischdampfdruck im Modell nicht wählbar ist und stark abnimmt. Für den Winterfall liegt der Nutzungsgrad bei rund 98,3 % und der elektrische Wirkungsgrad bei ca. 22,4 %. In weiterführenden Arbeiten sollte die gesamte Carnot-Batterie simuliert werden, weiters ist eine Entkoppelung von der Strom- und Nahwärmebereitung zu untersuchen.

Datum der Bewilligung	2025
Originalsprache	Deutsch (Österreich)
Betreuer/-in	Georg Aichinger (Betreuer*in)