Distributed observer design for packed bed thermal energy storage systems with parameter estimation

Diese Masterarbeit befasst sich mit der modellbasierten Überwachung von thermischen Schüttspeichern während des Betriebs. Ziel ist es, den zeitlichen Verlauf der Temperatur im Speicherinneren zuverlässig abzubilden und gleichzeitig den Wärmeübergang zwischen Wärmeträgerfluid und Speichermedium fortlaufend zu bestimmen. Der Ansatz ist auf den Einsatz in Echtzeit ausgelegt und verfolgt das Ziel, den messtechnischen Aufwand durch eine gezielte Auswahl und Platzierung weniger Temperatursensoren möglichst gering zu halten. Zur Beschreibung des thermischen Verhaltens des Speichers wird ein Modell reduzierter Ordnung eingesetzt, welches mittels Snapshot Proper Orthogonal Decomposition aus hochaufgelösten numerischen Simulationen abgeleitet wird. Aufbauend darauf werden die Messkonfiguration und die prinzipielle Beobachtbarkeit des Systems analysiert und ein geeigneter Zustandsbeobachter entwickelt. Ergänzend hierzu wir dein Verfahren zur laufenden Anpassung des Wärmeübergangskoeffizienten integriert, um Abweichungen zwischen Modell und realem System auszugleichen. Die Validierung erfolgt anhand experimenteller Untersuchungen sowie durch den Vergleich mit hochaufgelösten numerischen Simulationen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Thermokline auch unter sehr falschen Anfangsbedingungen zuverlässig erfasst werden kann. Gleichzeitig lässt sich der Wärmeübergang mit hoher Genauigkeit bestimmen, sodass eine robuste Zustands- und Parameterabschätzung möglich ist. Eine optimierte Sensoranordnung verbessert die Beobachtbarkeit, wobei diese systembedingt nicht in allen Betriebszuständen vollständig erreicht werden kann. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass mit einem kombinierten Beobachter- und Parameterschätzansatz eine effiziente und praxistaugliche Überwachung von thermischen Schüttspeichern realisierbar ist. Der entwickelte Ansatz trägt dazu bei, den Sensoraufwand zu reduzieren und den sicheren sowie effizienten Betrieb thermischer Energiespeicher zu unterstützen.