Thermochemische Energiespeicher : Experimentelle Optimierung des Beladeprozesses im Suspensionsreaktor in Bezug auf Unterdruck

Abstract

Unser Energiesystem wird sich in den kommenden Jahrzehnten dramatisch verändern. Angesichts der Umwelt- und Klimabelastung durch den übermäßigen Verbrauch fossiler Brennstoffe ist es notwendig, Energie effizient zu nutzen und saubere und erneuerbare Energien zu finden, die fossile Brennstoffe ersetzen können. Energiespeicherung ist ein Zwischenschritt hin zu einer multifunktionalen, sauberen und effizienten Energienutzung und stößt weltweit auf zunehmendes Interesse, auch in der Forschung.Bei nahezu jeder Stufe der Energieumwandlung entsteht Abwärme, die in vielen Fällen an die Umwelt abgegeben wird und nicht für Energiedienstleistungen eingesetzt wird. Die meiste Energie, die verschwendet wird, entsteht bei niedrigen Temperaturen. Daher konzentriert sich diese Studie aufSpeichersysteme, die auf einem Temperaturniveau von unter 210 °C arbeiten.Zu den untersuchten Reaktionssystemen in dieser Studie zählen CuSO4 ∙ 5 H2O, K2CO3 ∙ 1.5 H2O, MgSO4 ∙ 7 H2O, CaCl2 ∙ 2 H2O und H3BO3. Sie erfüllen die Kriterien, die an Niedertemperatur-Wärmespeichermaterialien gestellt werden. Deren Vorteile sind, dass sie weitgehend verfügbar sind,mit Wasser reagieren, hohe Energiedichten aufweisen und sich bereits in einem Suspensionsreaktor bewährt haben.Zum Einsatz kommt hierbei ein Dreiphasen-Suspensionsreaktor. Die feste Phase (ein Salzhydrat oder Borsäure) wird in den Rührbehälter eingebracht und in einer Thermalölsuspension suspendiert. Die Reaktionen werden unter Vakuumbedingungen (50 mbar) untersucht.Es werden pT-Kurven von den jeweiligen Salzhydraten und der Borsäure in Mineral- und Silikonöl erstellt. Es zeigt sich, dass das verwendete Thermoöl einen Einfluss auf die die Starttemperaturen der Dehydratisierungsreaktionen aller untersuchten Systeme hat.In dieser Arbeit werden auch Anwendungen verschiedener Vakuumpumpen diskutiert. Für diese Versuche sind Membranpumpen besonders geeignet. Für Anlagen bis 200 l und Prozessvakuum > 5 mbar wird die Pumpe „PC 3012 VARIO select“ empfohlen.Die Zyklenstabilität wurde von allen Reaktionssystemen in bis zu fünf Durchgängen getestet. Als stabil erwiesen sich in diesen Experimenten K2CO3 ∙ 1.5 H2O, MgSO4 ∙ 7 H2O und H3BO3. CaCl2 ∙ 2 H2O weist als einziges Salz mit jedem Run eine schlechtere Umwandlungsrate auf. Aufgrund der starkenSchaumbildung bedarf CuSO4 ∙ 5 H2O weiterer Untersuchungen, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.

Our energy system will change dramatically in the coming decades. In view of the environmental and climate pollution caused by the excessive use of fossil fuels, it is necessary to use energy efficiently and to find clean and renewable energies that can replace fossil fuels. Energy storage is an intermediate steptoward multifunctional, clean, and efficient energy use and is attracting increasing interest worldwide, including research. Nearly every stage of energy conversion produces waste heat, which in many cases is released into the environment rather than being used for energy services. Most of the energy that is wasted occurs at low temperatures. Therefore, this study focuses on storage systems operating at temperature levels below 210 °C.The reaction systems investigated in this study include CuSO4 ∙ 5 H2O, K2CO3 ∙ 1.5 H2O, MgSO4 ∙ 7 H2O, CaCl2 ∙ 2 H2O, and H3BO3. They meet the criteria required of low-temperature heat storage materials. Their advantages are that they are widely available, react with water, have high energy densities and have already proven themselves in the suspension reactor. A three-phase suspension reactor is used here. The solid phase (a hydrated salt or boric acid) is introduced into the stirred tank and suspended in a thermal oil suspension. The reactions are studied under vacuum conditions (50 mbar).pT curves of the respective salt hydrates and boric acid in mineral and silicone oil are plotted. It can be observed that the choice of thermal oil has an influence on the starting temperatures of the dehydration reactions of all systems investigated.Also discussed in this paper are the applications of different vacuum pumps. Diaphragm pumps are particularly relevant to these experiments. For a system up to 200 l and a process vacuum > 5 mbar the pump "PC 3012 VARIO select" is recommended.Cycling stability was tested by all reaction systems in up to five runs. K2CO3 ∙ 1.5 H2O, MgSO4 ∙ 7 H2O and H3BO3 were found to be stable in these experiments. CaCl2 ∙ 2 H2O is the only salt that shows a degrading conversion rate with each run. Due to the strong foaming, CuSO4 ∙ 5 H2O requires furtherinvestigation to obtain useful results.