Engineering, Construction and Commissioning of a 5 kWth Thermochemical Energy Storage Pilot Plant

Abstract

Thermische Energiespeicher erhöhen die Energieflexibilität sektorenübergreifend, indem sie die Wärmebereitstellung zeitlich von der Energienachfrage entkoppeln. Unter den verschiedenen thermischen Energiespeichertechnologien zeigt insbesondere die thermochemische Energiespeicherung aufgrund ihrer hohen Energiedichte und nahezu verlustfreien Speicherung ein großes Potenzial in der aktuellen Forschung. Diese Masterarbeit beschreibt den Entwurf, die Konstruktion und die Inbetriebnahme einer thermochemischen Energiespeicher-Versuchsanlage mit einer thermischen Leistung von 5kWth, basierend auf einem kontinuierlich betriebenen Rührkesselreaktor mit einer Drei-Phasen-Suspension. Der Prozess wurde anhand eines Prozessfließbilds und eines Rohrleitungs- und Instrumentierungsschema (R&I-Schema) definiert und dokumentiert. Die Auswahl und Auslegung der Komponenten und Sensoren erfolgte auf Grundlage vorangegangenen Simulationen und experimentellen Untersuchungen. Die Pilotanlage wurde installiert, mit Sensorik ausgestattet und über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) automatisiert. Während der Installationsphase sowie der Kalt- und Warminbetriebnahme traten mehrere Herausforderungen auf, die gelöst und in dieser Arbeit dokumentiert wurden, um Erkenntnisse für zukünftige Scale-up-Vorhaben zu liefern. Im Rahmen der Inbetriebnahme wurden erste Funktions- und Leistungstests durchgeführt, um die grundlegende Betriebsfähigkeit der Anlage und der Komponenten zu überprüfen. Das Ergebnis ist eine vollständig installierte und in Betrieb genommene Pilotanlage, die die Ergebnisse vorangegangener Forschungsarbeiten in eine funktionierende technische Umsetzung überführt.

Thermal energy storage improves energy system flexibility by decoupling heat supply from demand across energy sources. Among thermal energy storage options, thermochemical energy storage has pivotal potential in contemporary research and for sustainable energy systems, offering high energy density and near-loss-free storage. This master’s thesis reports the engineering, construction and commissioning of a 5kWth pilot-scale thermochemical energy storage unit based on a continuous stirred-tank reactor handling a three-phase suspension. The process is defined and documented through a process flow diagram (PFD) and a piping and instrumentation diagram (P&ID). Component and sensor selection draws on prior simulation results and experimental investigations. The pilot plant was constructed, instrumented, and automated with PLC-based control, safety interlocks, and data acquisition. Installation as well as cold and hot commissioning revealed practical issues in mechanics and control. These were resolved and documented to inform future scale ups. Initial test runs were monitored and analyzed to verify basic functionality. The outcome is an installed and commissioned pilot plant that translated previous research into an operational system and provides a platform for subsequent studies on material behavior, heat transfer mechanism, cycling stability and system integration.