Thermochemical energy storage : Experimental investigation of innovative material systems for the suspension reactor

Abstract

Energy is a demanding factor in almost all economic sectors, but only a small amountis provided by renewable sources. The amount must be drastically increased in terms of climate protection. However, renewable energy has some deficits in continuous energy supply, consequently efficient and loss-free energy storage is inevitably necessary. Thermalenergy storage bears great potential due to the availability of waste heat from industrial processes. Especially, thermochemical energy storage offers the possibility for efficient,long-term energy storage.The majority of waste heat is produced in the lower temperature range, thus heat below 200 °C is the focus of this work. Apart from this, a high reaction enthalpy and corresponding high energy storage density are required. Moreover, high cycle stability andthe absence of side reactions or thermal decomposition ensure long usage periods. Fastreaction kinetics enable an efficient storage process and high energy output. Of course,low safety risks as well as economic feasibility and availability are additional crucial factors.In order to fulfill these requirements and to achieve efficient and loss-free energystorage, suitable material systems need to be investigated. The aim of this thesis was asystematic screening for reversible gas-solid reaction systems suitable for thermochemical energy storage applications in a suspension reactor.Several materials were selected based on literature research and subsequently experimentally tested. The storage process was evaluated regarding conversion and dehydration temperature during the charging reaction as well as the temperature increase and corresponding energy output during the discharging reaction. Moreover, side effects likeagglomeration, phase change, and foaming were investigated. Several materials showed promising results, but further research is necessary for everyday use.

Energie ist in fast allen Wirtschaftsbereichen eine notwendige Komponente, die jedoch nur in geringem Umfang aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt wird. Dies muss im Sinne des Klimaschutzes drastisch erhöht werden. Erneuerbare Energien weisen einige Defizite in der kontinuierlichen Energieversorgung auf, folglich ist eine effiziente und verlustfreie Energiespeicherung notwendig. Thermische Energiespeicherung birgt aufgrund der Verfügbarkeit von Abwärme aus industriellen Prozessen ein großes Potenzial. Insbesondere die thermochemische Energiespeicherung bietet die Möglichkeit für eine effiziente und langfristige Speicherung von Energie. Ein Großteil der Abwärme entsteht im unteren Temperaturbereich und daher steht Wärme unter 200 °C im Fokus dieser Arbeit. Abgesehen davon ist eine hohe Reaktionsenthalpie und entsprechend hohe Energiespeicherdichte erforderlich. Lange Verwendungsperioden werden durch eine hohe Zyklenstabilität und die Abwesenheit von Nebenreaktionen bzw. thermischer Zersetzung sichergestellt. Schnelle Reaktionskinetik ist für einen effizienten Speicherprozess und eine hohe Energieausbeute notwendig. Natürlich sind geringe Sicherheitsrisiken sowie Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit weitere entscheidende Faktoren. Um diese Anforderungen zu erfüllen und eine effiziente und verlustfreie Energiespeicherung zu erreichen, müssen geeignete Materialsysteme untersucht werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Durchführung eines systematischen Screenings nach reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionssystemen, die für thermochemische Energiespeicheranwendungen in einem Suspensionsreaktor geeignet sind.Anhand einer Literaturrecherche wurden mehrere Materialien ausgewählt und anschließend experimentell getestet. Der Speicherprozess wurde hinsichtlich des Umsatzes und der Dehydratisierungstemperatur während der Ladereaktion sowie der Temperaturerhöhung und entsprechender Energieabgabe während der Entladereaktion bewertet. Außerdem wurden Nebeneffekte wie Agglomeration, Phasenumwandlung und Schaumbildung untersucht.Mehrere Materialien zeigten vielversprechende Ergebnisse, aber für den täglichen Gebrauch sind weitere Forschungen notwendig.