Development of an innovative process for thermochemical energy storage on the basis of boric acid / boron oxide

Abstract

Der Bedarf für thermische Energiespeicher ist über die letzen Jahre stark angestiegen. Speichern von thermischer Energie, speziell bei niedrigen Temperaturen, ist deshalb so interessant, da es zahlreiche Anwendungsgebiete gibt, wo Energie bei niedriger Temperatur genützt werden kann. Bei solarthermischen Anlagen kann überschüssige Energie aus Perioden mit hohem Angebot und geringer Nachfrage, wie z.B. Mittags im Sommer, gespeichert werden, um in Perioden mit geringem Angebot und hoher Nachfrage, z.B. Mitternacht im Winter, wieder Verwendung zu finden. Die Industrie (wie z.B. Stromerzeuger, Industriefabriken, etc.) kann Abwärmen nutzen, um den Wirkungsgrad bestehender Anlagen weiter zu heben. Bestehende Systeme basieren auf sensiblen oder latentenWärmespeichern. Diese Systeme sind durch die geringen Energiedichten der Speichermaterialien (< 1000 MJ m3 ) nur bis zu einemgewissenGrad einsetzbar. Eine neue und innovative Methode Energie effizient zu speichern, bieten die thermochemischen Energiespeichersysteme. Deren Vorteil liegt, unter anderem, in der hohen Energiedichte der Speichermaterialien bei 2200 MJ kg oder höher. Weiters kann die Energie über eine langen Zeitraum ohne merklichen Energieverlust gelagert werden, da die Energie in der chemischen Reaktion gespeichert wird. Während eines endothermen Prozesses wird Energie eingespeichert, welche über eine exotherme Rückreaktion wieder gewonnen werden kann. Da diese Schritte voneinander unabhängig sind, können sie zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt und an unterschiedlichen Standorten durchgeführt werden. Damit wird Energie nicht nur lagerbar, sondern kann auch effektiv transportiert werden. Die Wahl eines geeigneten Speichermaterials ist essentiell, da die Reaktion vollständig reversibel und schnell genug sein muss, um die Überschussenergie zu speichern bzw. die freigesetzte Energie nutzen zu können. Vorangegangene Versuche haben gezeigt, dass das System Borsäure/Bortrioxid großes Potential als Speichermedium besitzt. Daher ist das Ziel dieser Arbeit, die Eignung dieses Systems als thermochemischer Energiespeicher zu evaluieren. 2H3BO3+-HR -- B2O3+3H2O Zunächst werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien untersucht und basierend darauf ein Prozess entwickelt. Dieser besteht aus einem Dehydratationsschritt des Materials, wobei Energie gespeichert wird, einem Rehydratationsschritt wobei die gespeicherte Energie wieder freigesetzt wird und einem Nachbearbeitungsschritt, welcher den Kreisprozess schließt. Das Ergebnis dieser Arbeit beinhaltet ein Prozessschema, welches es ermöglicht, das System Borsäure/Bortrioxid als Speichermaterial zu nutzen. Sowohl die Möglichkeiten als auch die Probleme mit dem System werden aufgezeigt, wobei ein Machbarkeitsnachweis anhand eines vollständigen Speicherzyklus erbracht wird.

The demand for thermal energy storage has strongly increased over the past few years. The reason why storing energy, especially low grade energy, is interesting is due to the fact that there are numerous applications where low grade energy can be utilized. In the solar heat process the excess energy from periods of high supply and low demand, such as noon in summer, can be stored for periods of low supply and high demand, such as midnight in winter. The industry (electric power plants, industrial factories, etc.) could use waste heat to raise the efficiency of their processes. Current systems are based on sensible or latent heat energy storage, which are contend with low energy densities (< 1000 MJ m3 ). An innovative method is to store the energy by means of thermochemical energy storage. The advantage lies, amongst others, in the high energy density of 2200 MJ kg or higher. Moreover, the storage over long time periods is possible without perceivable energy loss, since the energy is stored within the chemical reaction. Thermal energy is stored during an endothermic reaction and is regained over an exothermic reaction which can be realised temporally and be locally shifted. Choosing a suitable material is essential, because its reaction has to be fully reversible and the reaction rate has to be high enough to utilize the redundant energy. Previous tests showed that the system boric acid / boron oxide has a big potential as a storage medium. Thus, the aim of this work is to evaluate the suitability of this system for thermochemical energy storage. 2H3BO3+-HR -- B2O3+3H2O Initially, the physical and chemical properties of the used materials are investigated and based on the results a suitable process is developed. It consists of storing energywithin a dehydration reaction, releasing it during rehydration and postprocessing to complete the circle of the process. The result of this work contains a process scheme to utilize the system boric acid / boron oxide as a storage system. A full cycle is carried out that shows the proof of the concept. Both the capabilities of the system and its problems are shown.