Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4015
Main Title: Hot water concrete tank to store solar generated energy
Translated Title: Heißwasserbetontank zur Solarenergiespeicherung
Author(s): Abd Elrahman, Mohamed Attia Mohamed
Advisor(s): Hillemeier , Bernd
Stephan , Dietmar
Referee(s): Vogdt, Frank U.
Hillemeier , Bernd
Stephan , Dietmar
Taffe, Alexander
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die auf die Erde treffende Strahlungsenergie der Sonne übertrifft den heutigen Gesamtenergieverbrauch um die 6000 Fächer. Obwohl die solare Energie unbegrenzt zur Verfügung steht und sauber und sicher ist, ist ihre Nutzung schwankend und häufig ungewiss. Deshalb sollte eine beträchtliche Energiemenge tagsüber gespeichert werden, um entsprechend nachts zur Verfügung zu stehen. Die Speicherung von Energie in heißem Wasser wird als eine der effektivsten Technologien gesehen, um saisonal Energie zu speichern, weil die spezifische Wärme von Wasser hoch ist und hohe Beladungs- und Entladungsraten erreicht werden können. Um Wasserverluste zu vermeiden, werden die meisten Speichertanks aus Spannbeton mit einem Inliner hergestellt. Wirtschaftlichkeitsstudien zeigen, dass die Kosten für den Liner hoch sind. Zudem sind die Speichertemperaturen verhältnismäßig niedrig (bis zu 95 °C), was die Speicherkapazität wesentlich einschränkt. Um jedoch die gespeicherte Energie z.B. industriell und bei der Dampferzeugung zu nutzen, muss die Speichertemperatur deutlich über 100 °C angehoben werden. Das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit ist die theoretische und technische Erforschung eines speziellen Betons für einen Heißwassertank, um solare Energie zu speichern bei Temperaturen bis zu 200 °C und Drücken bis zu 15.5 bar. Die Forschungsarbeit ist in drei Abschnitte unterteilt. Zunächst wird ein hochdichter Beton entwickelt, der unter den geschilderten hydrothermalen Bedingungen zuverlässig wasser- und dampfdicht ist. Als spezielle strategische Maßnahme erwies sich dabei die Erhöhung der Packungsdichte der festen Bestandteile des Betons als besonders wirksam. Bezüglich dieser Forderung wurde die Idealsieblinie nach Fuller zum Erreichen einer extrem hohen Packungsdichte und damit zur Reduzierung des Zementleimgehalts angestrebt. Zusätzlich wurden verschiedene Bindemittelkombinationen untersucht, um die geeignetste Mischung mit der höchsten Widerstandsfähigkeit gegenüber hydrothermalen Einwirkungen zu finden. Füller auf Siliziumbasis wurden dem Beton hinzugefügt, um die Lücke innerhalb des Kornaufbaus zwischen den groben und feinen Materialanteilen zu schießen und die Stabilität der C-S-H Phasen unter hydrothermalen Bedingungen zu erhöhen. Der zweite Teil der Arbeit geht auf die Analyse der Betoneigenschaften ein, die sich während der Belastung im Autoklaven bei 200 °C und 15.5 bar einstellen. Die mechanischen Eigenschaften wie Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und Rückprallwert wurden bei Normalbedingungen und nach dem Autoklavieren nach verschieden hohen Zyklen zahlen gemessen. Entsprechend wurden bezüglich der Dauerhaftigkeit des Betons die drei wesentlichen Mechanismen des Eindringens von Gasen und Flüssigkeiten wie Permeabilität, Absorption und Diffusion messtechnisch überprüft. In dem dritten Teil der Arbeit wurden 10 verschiedene Zementleime untersucht, um unabhängig von den Einflüssen einer Gesteinskörnung den Effekt der hydrothermalen Behandlung auf die Charakteristik und die Stabilität der C-S-H Phasen zu erforschen. Dabei wurden die Verfahren EDX, TGA und SEM angewandt, um die morphologischen Veränderungen bei den Zementsteinen nach 50 Autoklav Zyklen festzustellen. Zusätzlich wurden die Veränderungen der Druckfestigkeit und der Porosität gemessen. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die optimierten Mischungen sich günstig durch eine sehr niedrige Porosität und hohe mechanische Eigenschaften für die Dauerhaftigkeit auszeichnen. Die optimierte Kornabstufung wird dabei als der wesentliche Faktor angesehen. Nach der hydrothermalen Behandlung wird zusätzlich das Calcium/Silizium (C/S) Verhältnis des Systems als wesentlicher Einflussfaktor auf das Verhalten und die Eigenschaften eines Betons erkannt. Die Zugabe siliziumreicher Stoffe wie Flugasche, Hüttensand oder Quarzsand reduzieren das C/S Verhältnis des Systems und führen konsequent zu einem hoch widerstandsfähigen Beton mit niedriger Porosität bei hoher Zuverlässigkeit. Sie übertreffen in allen ihren Eigenschaften jene Mischungen deutlich, die ausschließlich aus Portlandzement als Bindemittel hergestellt wurden.
The solar energy flux reaching the earth equals about 6000 times the current global energy consumption. Although solar energy is abundant, clean and safe, its supply is intermittent and irregular. Therefore, a considerable amount of energy should be stored during the day to cover the demand during the night or from summer to winter times. Hot water storage tank is considered one of the best technologies for seasonal energy storage because of the high specific heat of water and the high capacity rate of charging and discharging. Most of these tanks are built of prestressed concrete with internal lining to prevent the water leakage. The economic studies indicated that the costs of liner are very high. Moreover, the storing temperature is low (up to 95 °C) which limits the storing capacity and therefore, the stored energy is used for heating and hot water supply only. However, to make a practical use of the stored energy such as industrial processes and steam generation, the storing temperature must be increased above 100 °C such as in the case of steam accumulator. The main objective of this work is to study the possibility of optimizing a concrete mixture to be used in a hot water concrete tank to store solar generated energy at temperatures up to 200 ° C and pressures up to 15.5 bars. This investigation is divided into three main parts. In the first one, high density concrete mixtures have been optimized in order to prevent the leakage of water and vapour through concrete and to ensure high sustainability under hydrothermal conditions. Increasing the packing density is considered an excellent strategy to get an optimized concrete mix. In this concern, the Ideal grading curve according to Fuller has been used to achieve the maximum packing density of the solid materials and to reduce the required binder content. In addition, various cementitious materials were examined to select the most suitable mixture with high resistance to hydrothermal attack. Siliceous fillers have been added also to close the gaps between aggregate and fine materials on one hand and to enhance the stability of C-S-H phases under hydrothermal conditions on the other hand. The second part of this investigation focuses on the effect of autoclaving with 200 °C and 15.5 bars on concrete properties. Mechanical properties including compressive strength, tensile strength and rebound number have been measured at normal conditions and after autoclaving with numerous cycles. In addition, concrete porosity is measured before and after autoclaving for several cycles. Regarding concrete durability, the main three mechanisms of ingress of gases and liquids through concrete; permeability, absorption and diffusion, have been measured before and after autoclaving for several cycles. In the third part, 10 different cement pastes have been prepared and tested in order to deeply understand the effect of hydrothermal conditions on characteristics and stability of C-S-H phases. In this concern, EDX, TGA and SEM measurements have been used to study the changes in pastes morphology and properties due to autoclaving for 50 cycles. In addition, the changes in compressive strength and porosity after hydrothermal treatment have been determined. The investigation results showed that the optimized mixes exhibited very low porosity and high mechanical properties as well as high durability at normal conditions where the grading and particle size distribution are the main factors influencing the results. However after hydrothermal exposure, mixes with low C/S ratio showed very stable performance regarding mechanical properties and durability. The addition of silica-rich materials such as fly ash, slag and quartz reduces the C/S ratio of the system and consequently strong product with low porosity and high stability is produced. On the other hand, mixes with OPC and with high C/S ratio suffered poor durability, high porosity as well as strength retrogression.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-49916
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4312
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4015
Exam Date: 31-Mar-2014
Issue Date: 3-Apr-2014
Date Available: 3-Apr-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Solarenergie
Packungsdichte
Betonstabilität
Solar energy
packing density
concrete stability
C/S ratio
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