Characterization of K2CO3 in a suspension reactor operated in continuous mode for thermochemical energy storage

Abstract

Thermochemische Energiespeicher (TCES) stellen einen vielversprechenden Ansatz für die saisonale Wärmespeicherung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Verwendung von Kaliumcarbonat (K2CO3) als Thermochemisches Speichermaterial in einem Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR) im technischen Pilotmaßstab. Das System von Kaliumcarbonat als Thermochemisches Speichermaterial wurde charakterisiert und geeignete Betriebsparameter für Reaktorversuche wurden in Laborversuchen ermittelt. Alle Reaktionen wurden in Thermoöl durchgeführt, wobei sich eine Zusammensetzung aus 95% w/w Mineralöl und 5% w/w Silikonöl als ein guter Kompromiss zwischen dem Verhindern von Schaumbildung und hohen Kosten für Silikonöl erwiesen hat. Hydratisierungs- und Dehydratisierungsreaktionen wurden erfolgreich in dem CSTR durchgeführt, dabei wurden Umsetzungsraten von 79% für die Hydratisierung und 60% für die Dehydratisierung erreicht. Für den kontinuierlichen Prozess im CSTR wurden Wärmeinträge und Austräge analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Hydratisierungs- und Dehydratisierungsreaktionen von K2CO3 grundsätzlich in dem CSTR durchgeführt werden können. Verbesserungen des Reaktordesigns, insbesondere zur Erhöhung der Umsetzungsraten und der Energieeffizienz, stellen mögliche Themen für zukünftige Arbeiten dar.

Thermochemical Energy Storage (TCES) is a promising approach for the storage of seasonal heat. This thesis aims at investigating the use of potassium carbonate (K2CO3) as a thermochemical energy storage material in a technical scale Continuously Stirred Tank Reactor (CSTR). The salt system of K2CO3 is described and operating parameters were found in lab-scale experiments. All reactions were carried out in a heat transfer oil. A composition of 95% w/w mineral oil and 5% w/w silicone oil provided a suitable compromise between costs and the prevention of foaming. Hydration and dehydration reactions were performed successfully on the CSTR and conversion rates of 79% for the hydration and 60% for the dehydration reaction were obtained. Heat analyses for the continuous process were done. This work showed that hydration and dehydration reactions of K2CO3 could generally be performed in the CSTR. Improvements in the reactor design especially for achieving higher conversion rates and increased energy efficiency may be a subject of future work.