Initial start-up and characterisation of a suspension reactor operated in continuous mode for thermochemical energy storage

Abstract

The progression of climate change is one of the greatest challenges of our century, driven by increasing concentrations of greenhouse gases in the atmosphere caused by the expansion of industrial parks, increased resource depletion and increased primary energy requirements. In order to counteract the forecasts of climate change, innovative, sustainable and efficient approaches to energy generation and storage are necessary. Thermochemical Energy Storage (TCES) is a promising technology that allows excess energy to be stored in thermochemical materials (TCM) such as metal oxides or salt hydrates via reversible chemical reactions and released again when needed. The state-of-the-art reactors used in industry for storing waste heat are in the temperature ranges greater than 200 °C and are therefore assigned to the medium to high temperature range for TCMs and are mostly used as fluidized beds, fixed bed reactors or as floating bed reactors, with fixed bed reactors being the most common used reactor concept. By applying the open loop mode and using TCMs in the medium to high temperature range, a lot of waste heat and energy, due to the poor contact of solid and gaseous particles, must be expended. Thereby, the potential of low temperature TCMs of less than 200 °C from e.g., industrial waste heat or the solar energy from standard solar panels is lost. In this work the usability of a three-phase (solid/liquid/gas) suspension reactor and the storage and withdrawal of waste heat from salt hydrates, using copper(II)-sulphate pentahydrate as TCM, in the low-temperature range of less than 150 °C is demonstrated. Furthermore, the effective separation of salt and hydrate in the suspension with a conversion rate of more than 90 % and the storage of both products in separate vessels in a semi-open loop mode will be shown, as well as the use of both reactants for the reverse reaction to store the heat energy, which has an effectiveness of more than 10 % of the theoretically possible energy storage density and more than 50 % of the theoretically possible suspension energy storage density. Subsequently, this work will explain the possibility, initial start-up and characterization of a 20 l three-phase suspension reactor as a continuously operated stirred tank reactor (CSTR), as well as the influence of particle size on the reaction behaviour, the change in bulk density and the storage of the dehydrogenated reaction product. In addition, an efficiency of over 30 % for the three-phase suspension CSTR can be shown.

Das Fortschreiten des Klimawandels ist eine der größten Herausforderungen unseres Jahrhunderts, angetrieben durch steigende Konzentrationen von Treibhausgasen in der Atmosphäre, die durch die Ausweitung von Industrieparks, die zunehmende Erschöpfung von Ressourcen und den steigenden Primärenergiebedarf verursacht werden. Um den Prognosen des Klimawandels entgegenzuwirken, sind innovative, nachhaltige und effiziente Ansätze zur Energieerzeugung und -speicherung erforderlich. Die thermochemische Energiespeicherung (TCES) ist eine vielversprechende Technologie, die es ermöglicht, überschüssige Energie in thermochemischen Materialien (TCM) wie Metalloxiden oder Salzhydraten über reversible chemische Reaktionen zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben.Die nach dem Stand der Technik in der Industrie eingesetzten Reaktoren zur Speicherung von Abwärme liegen im Temperaturbereich über 200 °C und werden daher dem mittleren bis hohen Temperaturbereich für TCMs zugeordnet und meist als Wirbelschicht-, Festbett- oder Schwebebettreaktoren eingesetzt, wobei Festbettreaktoren das am häufigsten verwendete Reaktorkonzept darstellen. Bei der Anwendung des offenen Kreislaufs und der Verwendung von TCMs im mittleren bis hohen Temperaturbereich muss aufgrund des schlechten Kontakts zwischen festen und gasförmigen Partikeln viel Abwärme und Energie aufgewendet werden. Dadurch geht das Potenzial von Niedertemperatur-TCMs von weniger als 200 °C, z. B. aus industrieller Abwärme oder der Sonnenenergie von Standard-Solarkollektoren, verloren.In dieser Arbeit wird die Nutzbarkeit eines dreiphasigen (fest/flüssig/gasförmig) Suspensionsreaktors und die Speicherung und Auskopplung von Abwärme aus Salzhydraten unter Verwendung von Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat als TCM im Niedertemperaturbereich von weniger als 150 °C demonstriert. Weiterhin wird die effektive Trennung von Salz und Hydrat in der Suspension mit einer Umsatzrate von mehr als 90 % und die Speicherung beider Produkte in getrennten Gefäßen im halboffenen Kreislauf gezeigt, sowie die Nutzung beider Reaktanten für die Rückreaktion zur Speicherung der Wärmeenergie, die einen Wirkungsgrad von mehr als 10 % der theoretisch möglichen Energiespeicherdichte und mehr als 50 % der theoretisch möglichen Suspensions-Energiespeicherdichte aufweist.Anschließend wird in dieser Arbeit die Möglichkeit, Inbetriebnahme und Charakterisierung eines 20 l-Dreiphasen-Suspensionsreaktors als kontinuierlich betriebener Rührkesselreaktor (CSTR) erläutert, sowie der Einfluss der Partikelgröße auf das Reaktionsverhalten, dieKurzfassungVIÄnderung der Schüttdichte und die Speicherung des dehydrierten Reaktionsprodukts. Darüber hinaus kann ein Wirkungsgrad von über 30 % für den Dreiphasen-Suspensions-CSTR nachgewiesen werden.