Untersuchung des Einflusses von erhöhtem Druck auf die Hydratisierung von MgO zur thermochemischen Energiespeicherung

Abstract

Thermochemische Energiespeicher (TCES) stellen ein neuartiges und vielversprechendes Konzept dar, um die Effizienz im derzeitigen Energiesystem hinsichtlich Lastausgleich zu erhöhen oder nachhaltige Energieträger in der Stabilisierung der Produktion zu unterstützen. TCES zeichnen sich durch höhere Energiedichten und eine theoretisch unbegrenzten Lagerzeit gegenüber anderen thermischen Speicherkonzepten aus. Im Zuge dieser Arbeit wird die Hydratisierungsreaktion des Systems MgO/Mg(OH)2 experimentell in einem Wirbelschichtreaktor untersucht. Es soll gezeigt werden, ob durch eine Erhöhung des Reaktionsdrucks eine verbesserte Kinetik bei der Hydratisierung erreicht werden kann. Für diesen Zweck ist ein eigens entwickelter Versuchsstand konzipiert worden. Anstelle eines zusätzlichen Trägergases ist nur Wasserdampf zur Fluidisierung eingesetzt worden. Dies hat jedoch keinen negativen Einfluss auf die Stabilität der Wirbelschicht gezeigt. Der Einfluss des Drucks auf eine Verbesserung der Reaktionskinetik durch steigende Reaktionsraten konnte gezeigt werden. Speziell der Abstand zum Gleichgewicht wird stark durch den Druck beeinflusst und wirkt sich deutlich auf die Geschwindigkeit und den Umsatz der Reaktion aus. In diesem Zusammenhang bedeutet das konkret, je niedriger die Reaktionstemperatur bei konstantem Druck, desto besser die Kinetik und umgekehrt. Bei den durchgeführten Versuchen sind Umsätze von >90% erreicht worden, die die bisherigen, in der Literatur dokumentierten Werte, übersteigen. Für den untersuchten Druckbereich zwischen 1,5 und 3 bar, bei Temperaturen zwischen 120 und 140 °C liegen die erzielten Reaktionsraten im Schnitt bei 4,5 · 10^(−3) (1/s). Dieses Speichersystems eignet sich aufgrund des untersuchten Druck- und Temperaturbereichsgut als Niedertemperaturspeicher. Weitere Untersuchungen dieses Reaktionspaars bezüglich Kinetik der Dehydratisierung und Zyklusstabilität in einem Wirbelschichtreaktor sind zur Steigerung der Effizienz dieses Systems als TCES notwendig.

Thermochemical energy storage (TCES) is a novel and promising concept to improve efficency in load balancing or to support the stable conversion, based on sustainable energy sources. Compared to other thermal energy storage concepts, TCES shows higher energy densities and offers the possibility of nearly endless storage. In this thesis, the recation system MgO/Mg(OH)2 is experimentally investigated in a fluidized bed. It was investigated at increasing reaction pressure during the hydration reaction, where improved kinetics can be achieved. In order to determine the necessary data, a test rig was designed for this purpose. Instead of a carrier gas, water vapour was used for fluidization and no negative effect on fluidization stability was observed. The influence of pressure on improving reaction kinetics regarding increased reaction rates could be confirmed. Especially equilibrium distance is strongly influenced by pressure and has a significant effect on reaction speed and conversion. In simple terms, this means the lower the reaction temperature at constant pressure, the better the kinetics and vice versa. The achieved conversion rates of 90% exceed by far the documented values in literature. For the examined pressure range between 1,5 and 3 bar at temperatures between 120 and 140 °C the average achieved reaction rate is 4.5 × 10^(−3) (1/s). Due to the examined pressure and temperature range, this storage system is well suited as a low temperature storage. Further investigations of this reaction system are necessary and should focus on dehydration and cycle stability in a fluidized bed reactor to enhance its applicability as TCES.