Thermochemischer Energiespeicher : Simulation vier suspendierter Salze in einem kontinuierlichen Rührreaktor mit einer Anbindung an einen reversiblen organischen Rankine Kreislauf

Abstract

Durch die Folgen des Klimawandels wurde die Nutzung von thermochemischen Energiespeichern in den letzten Jahren immer wichtiger. Es gibt mehrere Methoden, um Energie zu speichern. Eine davon ist die thermochemische Energiespeicherung, an der in dieser Arbeit geforscht wird. Durch diese Technologie ist es möglich, überschüssige Energie zu speichern, und zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, wenn sie gebraucht wird. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein System mit einem kontinuierlichen Rührreaktor für den Lade- bzw. den Entladeprozess zu simulieren, bei dem man zwischen vier verschiedenen thermochemischen Materialien wählen kann. Das Funktionsprinzip eines thermochemischen Energiespeichers besteht darin, Wärme für eine endotherme Reaktion zu nutzen, bei der ein Salz dehydratisiert wird. Das dehydratisierte Salz kann anschließend wieder hydratisiert werden, wodurch Wärme durch eine exotherme Reaktion freigesetzt wird. Der Ladeprozess beschreibt das Dehydrieren der Materialien, wodurch die Energie im Material gespeichert wird. Die dabei verwendeten Materialien sind Borsäure, Calciumchlorid-Dihydrat, Kupfersulfat-Pentahydrat und Kaliumkarbonat-Sesquihydrat für den Ladeprozess und Metaborsäure, Calciumchlorid-Anhydrat, Kupfersulfat-Monohydrat und Kaliumkarbonat-Anhydrat für den Entladeprozess. Die Grundlage dieser Arbeit wurde von einem anderen Studenten in einer früheren Arbeit erstellt, in der eine Simulation der Prozesse mit Borsäure/Metaborsäure und Calciumchlorid Dihydrat/Anhydrat erforscht wurde. Da zusätzlich noch weitere Salze untersucht werden sollen, mussten die Simulationen angepasst werden. Nachdem die Einheiten für die Simulation dahingehend überarbeitet wurden, dass man zwischen den Materialien wechseln kann, wurde das Layout für die Simulation aufgebaut. Zusätzlich wurde in dieser Arbeit die Simulation eines reversiblen organischen Rankine Kreislaufes (r-ORC) untersucht. Die notwendige Energie für die Reaktion im Ladebetrieb wird dabei durch den r-ORC (Wärmepumpenbetrieb) in den TCES-Reaktor eingebracht. Beim Entladebetrieb wird die Wärme der exothermen Reaktion vom TCES-Reaktor zurück in den r-ORC (ORC Modus) übertragen. Weiters wurde an einer Optimierung der Prozesse durch Wärmeintegration geforscht. Durch die Simulationen der einfachen Prozesse, sowie der Prozesse mit Wärmeintegration konnte festgestellt werden, dass die Stoffsysteme mit Borsäure und Kupfersulfat für den in dieser Arbeit beschriebenen Aufbau eher ungeeignet sind, da der für die Umwandlung benötigte Energiebedarf sehr groß ist und die bei der Hydratisierung freigesetzte Wärmemenge sehr gering ausfällt. Die beiden verbleibenden Systeme Kaliumkarbonat und Calciumchlorid wurden anhand der Energiebedarfe gegenübergestellt, wobei man feststellen konnte, dass Kaliumkarbonat um 17.15% weniger Energiebedarf bei gleicher abgegebener Leistung, als Calciumchlorid aufweist.

Due to the effects of climate change, energy storage has become increasingly important over the past years. There are several methods to store energy and one of them is the thermochemical energy storage which is investigated in this thesis. With this technology it is possible to harvest waste heat not in the moment of occurrence, but in a moment when it is needed. Another major advantage of such a system is the very high energy density and the long storage period. The aim of this thesis is to model and simulate the process of charging and discharging using a continuous stirred reactor, with the possibility to switch between four different thermochemical materials. The working principle of a thermochemical energy storage is to use heat for an endothermic reaction were a salt gets dehydrated. The dehydrated salt can then be rehydrated were heat is released through an exothermic reaction. The charging step describes the storing of the energy through dehydration of the water within the material. The materials used in this thesis are boric acid, calcium chloride dihydrate, copper sulphate pentahydrate, and potassium carbonate sesquihydrate for the charging step and metaboric acid, calcium chloride anhydrate, copper sulphate monohydrate and potassium carbonate anhydrate for the discharging step. The base of this work was made by another student in a previous thesis where a simulation with boric acid/ metaboric acid and calcium chloride dihydrate/ anhydrate was researched. Since other salts should also be investigated the existing simulation had to be revised. The layout for the simulation was made after the units got adapted in a way that one can switch between the preferred chemical reaction pairs. Additionally, in this work the simulation of a reversible organic Rankine cycle (r-ORC) was studied. The energy for the reaction is fed to the TCES-reactor by the r-ORC (heat pump mode) in the charging stage. In the discharging stage, the heat from the exothermic reaction is harvested from the TCES-reactor back to the r-ORC (ORC mode). Furthermore, research was done on an optimization of the processes with heat integration. Based on the simulations of the basic processes as well as the heat integrated ones, one can see that the systems using boric acid and copper sulphate, are not the preferred choice for a layout used in this thesis. The reason for this is, that the energy required for the dehydration is very high and the released energy from the rehydration is very low. Both remaining materials were compared to each other using the overall energy demand. Potassium carbonate has 17.15% less energy demand than calciumchlorid.