This paper is focussed on thermal storage technologies using phase change materials (PCMs) in the temperature range of 120–300°C for solar thermal power generation and high temperature process heat. As the state‐of‐the‐art reference system a steam accumulator is described, which typically has a volume‐specific thermal energy density of 20–30 kWh m−3. Regarding efficiency, a fundamental demand on thermal storage is the minimization of temperature differences between working fluid and storage medium. This requires isothermal storage systems for processes using water/steam. An obvious solution is, therefore, the application of PCMs.

This paper is focussed on thermal storage technologies using phase change materials (PCMs) in the temperature range of 120-300 °C for solar thermal power generation and high temperature process heat. As state-of-the-art reference system a steam accumulator is described, which typically has a volume-specific thermal energy density of 20-30 kWh/m³. Regarding efficiency, a fundamental demand on thermal storage is the minimization of temperature differences between working fluid and storage medium. This requires isothermal storage systems for processes using water/steam. An obvious solution is, therefore, the application of PCMs. The selection of the PCMs depends strongly on the operation conditions of the respective application. At present, the main emphasis is directed to alkali metal nitrates and nitrites and their mixtures. For example, the eutectic mixture of the binary system KNO3-NaNO3 has been identified as an excellent system to be used for processes using saturated steam at around 25 bar. At around 5 bar the ternary system KNO3-NaNO2-NaNO3, commonly used as heat transfer fluid, can also be used as a PCM. To overcome the low thermal conductivity of the salt systems, approaches of increased surfaces area and increased thermal conductivity using expanded graphite (EG) have been investigated. Using EG/PCM-composites the effective thermal conductivity can be increased from below 0.5 W/(mK) to 3-20 W/(mK). Three design concepts have been developed. In the macro-encapsulated design, the PCM is enclosed in metal tubes, giving a short distance for heat transfer and increasing the heat transfer area. In the second design, the heat exchanger tubes are embedded in EG/PCM-composite storage material. The third design option uses graphite foils arranged perpendicularly onto the heat exchanger tubes and a suitable salt system filled in between. The upgrade of existing steam accumulators using these PCM concepts is also proposed.

Industrielle Prozesswarmeanwendungen sowie solarthermische Dampfkraftprozesse bieten ein groses Potential fur die Anwendung von thermischen Energiespeichern. Speichersysteme ermoglichen die Wieder¬verwendung von thermischer Energie bei zyklischen Prozessen sowie die standige Bereitstellung von solar erzeugter Energie. Der Grosteil der Prozesswarmeanwendungen benotigt Dampfdrucke zwischen 1 und 20 bar was einer Sattigungstemperatur von 100 bis 210 °C entspricht. Im Bereich der solarthermischen Dampf¬kraft¬prozesse werden Speicher fur Drucke bis zu 100 bar und Temperaturen bis 310 °C benotigt. Obwohl die Anwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM) den Vorteil einer isothermen Energiespeicherung bieten, ist bis heute kein kommerziell verfugbares System fur diesen Temperaturbereich erhaltlich. Im Projekt DISTOR sowie im Projekt PROSPER werden Speichersysteme fur solarthermische Kraftwerke sowie fur Prozesswarmeanwendungen entwickelt. Stand der Technik bei der Speicherung von Dampf sind Gefalle- bzw. Gleitdruckspeicher welche von Ruths entwickelt wurden. Diese bestehen aus einem Druckkessel welcher zu ca. 80 Prozent mit Wasser gefullt ist. Zum Beladen wird heiser Dampf in das Wasser eingeblasen. Die aufsteigenden Dampfblasen kondensieren aus und erwarmen dabei den Wasserinhalt des Speichers. Durch das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Wasser und Dampf steigt hierbei der Druck im Speicher an. Zum Entladen des Speichers wird aus dem oberen Bereich des Speichers Dampf entnommen. Der Druck im Speicher sinkt. Durch Siedevorgange nahe der Wasser¬oberflache wird neuer Dampf produziert und das thermodynamische Gleichgewicht wieder hergestellt. Die Warme wird somit sensibel im Wasserinhalt gespeichert. Eine isotherme Speicherung ist vor allem bei Dampfprozessen vorteilhaft. Das Verwenden von Phasen¬wechsel¬materialien (PCM) ist hierfur eine nahe liegende Losung. Fur eine ausreichende Leistungsdichte beim Be- und Entladen des Speichers ist die niedrige Warmeleitfahigkeit der in Frage kommenden PCMs ein limitierender Faktor. Das DLR arbeitet mit Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen von mehreren nationalen und internationalen Projekten an Konzepten zur Realisierung wirtschaftlicher Speichersysteme. Untersucht wird die Makroverkapselung des PCMs in druckfesten Rohren, das Einbringen von Graphitfolien in Richtung des Warme¬transportes sowie die Herstellung eines PCM / Graphit Komposits.

Industrial process heat applications have been identified as a promising new area of application for thermal energy storage systems. Storage systems offer not only the reuse of thermal energy in cyclic processes which facilitates the integration of solar energy due to the availability of storage capacity. The bulk of process heat applications require steam at pressures between 1 and 20. While the application of phase change materials (PCMs) is straightforward for isothermal energy storage, no commercial system is available in this temperature range today. Modelica is used to analyse different kinds of steam storage systems for applications in power plants and process industry. The analysis includes varying pressure steam accumulators, which are state of the art, and a novel kind of steam accumulator with a phase change material (PCM). For the analysis of steam accumulators a vertical discretisation of the storage vessel is elemental. Based on the Fluid and Media Library models for the simulation of multiphase flows are developed. The drainage and flooding of volumes can be reproduced as well as the vertical stacking. Based on the media library a general multiphase media package is build for the handling of multiphase applications.