Redesign eines Reaktors zur Analyse thermochemischer Speichermaterialien

Abstract

Die Entwicklung von Mittel- und Hochtemperaturwärmespeichern stellt die wichtigste Herausforderung dar, um solarthermische Kraftwerke zukunftsorientiert und wirtschaftlicher gestalten zu können und dadurch die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen tatsächlich und nachhaltig etablieren zu können. Die thermochemische Wärmespeicherung basierend auf Gas/Feststoffreaktion weist eine wesentlich höhere Wärmespeicherdichte auf, als dies bei konventionellen sensiblen oder latenten Wärmespeichersystemen der Fall ist. Ein besonderer Vorteil gegenüber konventionellen Wärmespeichern stellen die wesentlich geringeren Wärmeverluste dar. Außerdem ist der Arbeitspunkt gezielt durch den Wasserpartialdruck und die Temperatur zu regeln, was eine effizientere Entladung des Systems möglich macht. Im Fokus dieser Arbeit stehen das Design, die Entwicklung, sowie die Fertigung eines Festbettreaktors. Entscheidend dabei ist die gezielte thermische und mechanische Entkopplung des Reaktorsystems, um die Messung eines Wägesignales zu ermöglichen und dadurch Aussagen über die Reaktivität des jeweils zu untersuchenden Speichermaterials treffen zu können. Es werden Möglichkeiten entwickelt, um sowohl den Einfluss der Temperaturmessung, als auch den Einfluss der benötigten Messsonden zur Differenzdruckmessung zu eliminieren. In weiterer Folge werden sowohl der Reaktoreintritt, als auch der Reaktoraustritt unter Zuhilfenahme eines Siphonsystems mit Thermoöl mechanisch von externen Einflüssen entkoppelt. Das Reaktorsystem muss auf die Untersuchung der Reaktionen Mg(OH)2/MgO, sowie Ca(OH)2/CaO ausgelegt werden. Vor allem im Bereich der Isolierteile zum Schutz der Präzisionsmesswaage müssen daher diese Teile auf eine Temperatur von ca. 500°C erstausgelegt werden. Da zum jetzigen Zeitpunkt an der TU-Wien keine funktionierende Versuchsanlage zur Verfügung steht wird der Reaktor entwickelt und gefertigt, um zu einem späteren Zeitpunkt in einen Versuchsstand eingebunden zu werden.

The development of middle and high temperature storage systems is one of the most important challenges humanity is forced with to make solar thermal power stations future oriented and economical optimized and as a matter of fact to establish the renewable energy production sustainable on the future energy markets. The thermochemical energy storage based on gas/solid reactions shows a much higher energy storage density compared to conventional storage systems like sensible energy storage or energy storage systems on the base of phase change materials. One of the major advantages of such systems are the lower energy losses compared to other storage systems. Another important point is that you can adjust the working point of the storage system by changing the parameters temperature and water partial pressure. Resulting out of it you are able to create a better efficiency during the charging and discharging process. The focus of the following thesis is to design, develop and produce a fixed bed reactor. Essential is the thermal and mechanical decoupling of the reactor system to become able to create a functional weighting signal without any external influences caused by temperature measure, pressure measure, heat expansions at the reactor inlet and outlet. Based on a designed siphon system at the inlet and outlet point of the reactor the possibility of a total mechanical decoupling was created. The reactor system must be configured to investigate the reactions Mg(OH)2/MgO and Ca(OH)2/CaO. This fact affects especially the heat isolation to protect the weighting system. As a matter of fact the isolation system must be designed for temperatures up to 500°C. Currently is no functional experimental thermochemical storage station at the Technical Universitity of Vienna available. The reactor what is planned in this master thesis is constructed for later integrations in future storage stations. -