Investigation of the reaction of boron oxide with liquid water for thermochemical energy storage

Abstract

Energiebedarf und -verbrauch nimmt global täglich zu. Fossile Energieträger haben bis jetzt unsere Anforderungen erfüllt. Allerdings steigt der globale Verbrauch der fossilen Brennstoffen schneller als fossile Energieträger entstehen. Die Hauptsorge der Menschen ist heutzutage alternative Energiequellen zu finden. Alternative Energiequellen wie Solarenergie und Windenergie, brauchen zusätzlich immer ein Energiespeicherungssystem, Z.B. in Form von Wärme. Diese Wärme kann während der warmen Jahreszeit gespeichert werden, und später in der kalten Jahreszeit verwendet werden. Auch im Industriesektor kommen Wärmespeicherungssysteme zum Einsatz. Diese werden benützt, um Restwärmen nutzbar zu machen. Dadurch verringert sich der Energiepreis und die Effizienz des Prozesses steigt. Die Technologien, die heutzutage in den Industriebetrieben aber auch in Haushalte verwendet werden, sind hauptsächlich sensible und latente Wärmespeicher. Durch aktuelle Forschungen lässt sich bestätigen, dass die Wärmekapazität eines thermochemischen Wärmespeicherungssystem mehr als 10 Mal so hoch ist, wie die andere Wärmespeicherungstechnologien. Durch thermochemische Energiespeicherung (TCES) ist es möglich, die Wärme theoretisch ohne Verlust zu speichern. Dadurch kann die Wärme sogar für beliebige Zeitdauer gespeichert und problemlos transportiert werden. Für TCES können reversible Reaktionen verwendet werden, die in beide Reaktionsrichtungen anwendbar sind. Das Prinzip der TCES ist die Speicherung der Wärme in endothermischer Richtung der Reaktion, und Abgabe der Energie in exothermischer Richtung der Reaktion. Untersuchungen haben gezeigt, dass Borsäure-Bortrioxid System sehr gute Wärmespeicherkapazität hat (2146 MJ/m^3). 2H3BO3= B2O3 + 3H2O In vergangenen Arbeiten wurde dieses System ausführlich untersucht. Ein Prozess wurde entwickelt, um Borsäure für die TCES Verwendung zu Bortrioxid zu dehydrieren. Außerdem wurden Versuche durchgeführt, um die Rehydratation von Bortrioxid mit Wasserdampf zu untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Rehydratation von Bortrioxid weiter zu erforschen, jedoch mit der Verwendung von flüssigem Wasser. Der Einfluss von unterschiedlichen Faktoren sowie Massenverhältnis der Edukte, Temperatur, und Partikelgröße werden hierbei untersucht. Durch diese Arbeit ist es möglich, Aussagen über den Einfluss der genannten Parameter auf die Reaktion zu treffen, und daraus den optimalen Zustand zu definieren. Zusätzlich wird durch diese Arbeit ein Vergleich zwischen Rehydratation mit dem flüssigen Wasser und Wasserdampf möglich. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Feststoff-Flüssigkeit System für die Verwendung im Niedertemperatur Bereich geeignet ist. Versuche haben gezeigt, dass durch unterschiedliche Prozessparameter die Reaktionszeit und der Temperaturhub des Systems angepasst werden können. Vorteilhaft ist die Reaktion bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck.

Energy demand is increasing worldwide every day. Fossil fuels have always supplied energy demands, however our demands are increasing faster than fossil fuel formation speed. Nowadays primary concern of countries is to find alternative energy source. For applying an alternative energy source such as solar thermal energy, an additional energy storage system is needed. The solar thermal energy can be stored during the warm and sunny seasons, and can be used in cold seasons of the year. Heat storage is also important for industrial plants. They can reuse their residual heat energy, to decrease their energy costs. The technology mostly used in industrial plants and domestic applications for heat storage today is sensible or latent heat storage systems. Recent investigations affirm the potential for thermochemical energy storage (TCES) systems. The heat capacity of a TCES system is up to 10 times higher than sensible and latent heat storage. Storing heat energy through a chemical reaction has theoretically no heat loss, and the energy can be stored for desired period of time. Also, TCES system can be used for transporting the energy. The reactions used for TCES should be reversible with applicable charging and discharging steps. Basic concept of TCES system is to save the heat energy through the endothermic way of the reaction. The products of this reaction should be stored separately. The stored heat energy can be regained through exothermic way of the reaction. Investigations on boric acid- boron oxide system has shown that it has a potential to be used in TCES technology, because of its high heat storage capacity (2146 MJ/m^3). 2H3BO3 = B2O3 + 3H2O In preceding work the whole process of heat storage (charging and discharging) was investigated. A process was developed for dehydration of boric acid to boron oxide for TCES usage. Furthermore, the rehydration of boron oxide was experimented with water vapour. The aim of this work is to investigate the rehydration way of boric acid- boron oxide system with liquid water. Influence of different parameters (such as feeding ratio, temperature, and particle size) on the rehydration is also experimented. Through this work, it is tried to make statements about impact of different parameters on reaction, in order to define an optimum condition. Additionally, rehydration of boron oxide with liquid water will be compared with the reaction with vapour. Investigations showed that the best results found for solid-liquid system are, when it starts at room temperature and ambient pressure. This system can be used in low temperature heat storage systems.