Der weltweite Energiebedarf nimmt ständig zu. Dieser Energiebedarf soll zunehmend aus regenerativen Energiequellen gedeckt werden, um die Umweltbelastung zu verringern und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu minimieren. Für nicht kontinuierlich verfügbare regenerative Energieträger wie Sonnenlicht und Windkraft spielt die Energiespeicherung daher eine essentielle Rolle, um die Stabilität der Energieversorgung zu gewährleisten. Unter dem Forschungsschwerpunkt Energiespeicher werden unterschiedliche Forschungsprojekte zur thermischen und elektrochemischen Energiespeicherung bearbeitet.
Forschungsschwerpunkte
Experimentelle Untersuchungen zu Flüssigmetallbatterien
Experimentelle Analyse der elektrochemischen Energieumwandlung zur Wasserstoffproduktion unter Magnetfeldeinfluss und zur Brennstoffzellentechnologie
Experimentelle Charakterisierung von Strömungen in Wärmespeichern
Leistungsangebot
Experimentelle Untersuchungen an Wärmespeichern
Bereitstellung von Messdaten der Umweltmessstation der TU Ilmenau
Wärmetechnische Beurteilung (einschließlich Infrarot) von Gebäudehüllen oder technischen Systemen
Strömungs- und Temperaturmessungen in Wasserspeichern
Labor-/Teststände
Speicherteststand für Wärmespeicher (nach DIN/EN)
Versuchsstand Absorptionskältemaschine
Projekte
Rayleigh-Bénard-Konvektion (RBK) ist ein klassisches Modellexperiment zur Untersuchung von Konvektionsströmungen und natürlichen Wärmetransportprozessen. Das Projekt verfolgt das Ziel, experimentelle Grundlagenuntersuchungen zum Strömungs- und Wärmetransportverhalten in der RBK durchzuführen, die durch die kombinierten Effekte von Wärmestrahlung und magnetischen Feldern beeinflusst wird. Die Ergebnisse sollen zum besseren Verständnis von thermischen Energiesystemen beitragen, die bei hohen Temperaturen und mit elektrisch leitfähigen Fluiden arbeiten. Das erklärte Ziel der Untersuchungen ist, den funktionalen Zusammenhang des konvektiven Wärmetransports und der entstehenden Strömungsstrukturen in Form der Nusselt-Zahl und der Reynolds-Zahl in Abhängigkeit von den Kontrollparametern Rayleigh-Zahl (thermischen Antrieb), Planck-Zahl (Wärmestrahlung) und Hartmann-Zahl (Magnetfeldeinfluss) zu bestimmen. Dabei spielen auch die Transition von laminarer zu turbulenter und der Übergang in das ultimative Regime eine wichtige Rolle. In Hinblick auf relevante ingenieurtechnische Anwendungen dienen die gefundenen Zusammenhänge unter anderem zur Vermeidung von kritischen fluidmechanischen und thermischen Zuständen in Hochtemperatur-Energiespeichern und Flüssigmetall-Batterien.
Fördermittelgeber:
DFG
Partner:
Dalian University of Technology, Prof. Benwen Li, School of Energy and Power Engineering.
DLR- Institut für Technische Thermodynamik, Prof. André Thess, Stuttgart.
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Dr. Sven Eckert, Abteilung Magnetohydrodynamik.
Bearbeiter:
Prof. Dr.-Ing. Christian Karcher (Projektleiter)
Prof. Dr.-Ing. Christian Cierpka (Projektleiter)
Dr. rer. nat. Christian Resagk (Projektberater)
Prof. rer. nat. Yuri Kolesnikov (Projektberater)
Jasmin Calmbach (Projektmitarbeiterin)
The present project aims to conduct numerical simulations of fluid flow and heat transfer in thermal convection influenced by the combined effects of thermal radiation and electromagnetic fields. Hence, this project is the theoretical supplementary part to the experimental investigations within the respective DFG project. Here, already available and validated in-house codes for thermal convection under the influence of magnetic fields and for thermal convection influenced by thermal radiation will be further developed to include the coupled effects of both. The work will include the implementation of the Radiative Transport Equation (RTE) and the quasi-static Magnetohydrodynamics model into the existing solvers. Such simulations especially in turbulent flows require massive computational resources since dense matrices have to be frequently inverted and integro-differential equations have to be solved.
Fördermittelgeber:
CSC (Chinese Scholar Council)
Partner:
Dalian University of Technology, Prof. Benwen Li, School of Energy and Power Engineering.
TU Ilmenau, PD Dr. rer. nat. Thomas Boeck, Institut für Thermo- und Fluiddynamik
Bearbeiter:
Prof. Dr.-Ing. Christian Karcher (Projektleiter)
Prof. Benwen Li (Projektleiter)
Panxin Li (Projektmitarbeiterin)
Die effiziente elektrochemische Energieumwandlung spielt im Rahmen der Brennstoffzellentechnik in Form von Wasserelektrolyse eine signifikante Rolle. Die Energieumwandlung findet dabei immer an der Elektrodenoberfläche statt, wodurch mikrofluidische Systeme besonders geeignet erscheinen, da hier das Verhältnis von benetzter Oberfläche zum Volumen stark gesteigert werden kann. Durch die Parallelisierung solcher Mikrobrennstoffzellen und Elektrolysezellen lassen sich Einheiten mit quasi beliebiger Leistung erzeugen. Ziel der DFG geförderten Emmy Noether Nachwuchsgruppe (CI 185/3) ist es die Effizienz der elektrochemischen Energieumwandlung durch wandnahe Strömungskontrolle zu steigern und die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse aufzuklären, um zukünftige Systeme optimieren zu können. Dazu sollen zeitlich und räumlich hochaufgelöste experimentelle Untersuchungen der Geschwindigkeits- und Skalarfelder (Temperatur, pH-Wert, Druck) in ein- und mehrphasigen Mikroströmungen durch das neu entwickelte und erweiterte 3D Astigmatismus PTV beitragen. Der Fokus der Arbeiten liegt dabei zum einen auf der effektiven Temperaturkontrolle durch Nanofluide und Partikel-Partikel Interaktion im Fluid, zum anderen auf der gezielten Beeinflussung der wandnahen Konvektionsströmung durch elektromagnetische Volumenkräfte.
Partner:
Universität der Bundeswehr München, Technische Universität Dresden, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, University of Washington, University of Purdue
Thermische Energiespeicher sind zentraler Bestandteil solarthermischer Anlagen zur Nutz- und Trinkwassererwärmung, um die Zeit zwischen Energiegewinnung und -nutzung zu überbrücken. In modernen Schichtenspeichern wird, durch die Nutzung des thermischen Dichtegradienten von Wasser, eine stabile Schichtung von warmem über kaltem Fluid erzeugt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Wasser ermöglicht grundsätzlich eine lange Aufrechterhaltung der Schichtung und trägt damit zu einer hohen Effizienz des Speichers bei.
Allerdings werden die Speicherwände von thermischen Schichtenspeichern zumeist aus Stahl gefertigt, welcher eine um ca. zwei Größenordnungen höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Wasser. Dadurch bildet die Stahlwand eine Wärmebrücke zwischen der oberen heißen und unteren kalten Wasserschicht. Der damit hervorgerufene thermische Ausgleichsprozess bewirkt das Aufsteigen erwärmten Wassers von unten und das Herabsinken abgekühlten Wassers von oben. Diese wandnahen Sekundärströmungen sollen im Rahmen der Arbeit charakterisiert werden, um später ihren negativen Einfluss auf die Schichtung quantifizieren und geeignete Lösungskonzepte erarbeiten zu können. Dazu werden mittels PIV- und LDA-Verfahren räumlich hochaufgelöste Strömungsmessungen der natürlichen Konvektion in der Wandgrenzschicht durchgeführt. Sie liefern ein tiefgehendes Verständnis des Antriebs der Wandströmung und dienen zusätzlich der Validierung parallel durchgeführter Strömungssimulationen mit dem Strömungslöser ANSYS Fluent.
H. Otto, C. Resagk, C. Cierpka: Convective near-wall flow in thermally stratified hot water storage tanks, 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry, 22.-24.7.2019, Munich, Germany
H. Otto, S. Resagk, C. Cierpka: Kombinierte Geschwindigkeits- und Temperaturfeldmessungen in thermischen Schichtenspeichern, Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 03.-05.09.2019, Erlangen, Germany
