Analysing the hydration reaction of boron oxide in selected solvents

Abstract

Thermochemical energy storage is a promising technology to store heat. The heat is stored as reaction enthalpy and can then be released again via the reverse reaction. With this technology it is possible to store waste heat and therefore increase the efficiency of a plant. Additionally, it is easier to install renewable energy sources since it is possible to counter the fluctuating energy production of these kind of plants. One of these storage systems is the system B2O3/H3BO3. In this thesis the heat production is studied. This follows the reaction B2O3 + 3H2O -- 2H3BO3 + delta HR A preceding work showed, that a high water excess is necessary to ensure homogeneous mixing of water and boron oxide. But since water has a relatively high cp-value, this excess water reduces the maximal reachable temperature. To counter this, some of the water was substituted with a solvent with a lower cp, therefore increasing the maximal temperature. During the experiments, also the reaction between alcohols and boron trioxide was tested for their possibility as thermochemical energy storage. After a broad study of various solvents, a more detailed study with selected solvents followed. Therefore, various starting temperatures as well as various mass relationships between reacting agents and solvent were tested. Additionally, a comparison with the reaction without solvent was done. An additional comparison was done between a suspension in solvent and a suspension in pure water. The observation criterium was the temperature increase during the reaction. This was higher in methyl isobutyl ketone, compared to pure water. The conversion was determined by various analytical methods, as well as with a calculation using the temperature increase over the reaction time.

Eine vielversprechende Technologie zum Speichern von Wärme sind thermochemische Energiespeicher. Hierbei wird W¨arme als Reaktionsenthalpie gespeichert und kann über die Rückreaktion wieder freigegeben werden. Über diese Technologie ist es möglich anfallende Abwärme zu speichern und somit die Effizienz einer Anlage zu steigern. Zusätzlich wird durch den Einsatz von Speichern die Installation von erneuerbaren Energiequellen erleichtert, da die schwankende Produktion dieser ausgeglichen werden kann. Eines dieser Speichersysteme ist das System B2O3/H3BO3. Für diese Arbeit wird die Wärmefreisetzung studiert. Diese folgt der Reaktion B2O3 + 3H2O -- 2H3BO3 + delta HR Bei einer Vorarbeit wurde festgestellt, dass ein hoher Wasser überschuss nötig ist, um das entstehende Gemisch homogen mischen zu können. Aufgrund des hohen cp-Wertes von Wasser, senkt das die maximal erreichbare Temperatur. Deshalb wurde untersucht, einen Teil dieses Wassers durch ein Suspensionsmittel mit einem niedrigeren cp zu ersetzen und somit die resultierende Temperatur zu steigern. Während der Versuche wurde ebenfalls die Reaktion zwischen Alkoholen und Bortrioxid auf ihre Eignung als thermochemischer Energiespeicher untersucht. Nach der Untersuchung mit mehreren Lösungsmitteln wurde eine detaillierte Studie in ausgewählten Lösungsmittel durchgeführt. Hierbei wurden verschiedene Starttemperaturen und verschiedene Massenverhältnisse zwischen den reagierenden Stoffen zu dem Lösungsmittel durchgeführt. Zusätzlich wurde ein Vergleich zu der Reaktion ohne Lösungsmittel angestellt. Ein weiterer Vergleich wurde zwischen einer Suspension in Lösungsmittel und einer Reaktion in reinem Wasser angestellt. Hierbei wurde der maximale Temperaturhub betrachtet. Die Ausbeute wurde ermittelt über verschiedenste Analysemethode, als auch über eine Berechnung über die Temperaturerhöhung.