Investigations of the reaction kinetics of thermochemical energy storage materials

Abstract

Globale Erwärmung und die Verringerung der umfangreichen Treibhausgasemissionen in die Atmosphäre sind heutzutage die größten Herausforderungen des globalen Energiesystems. Die viel diskutierten Lösungen sind die Förderung erneuerbarer Energiequellen und die Verbesserung der Effizienz bestehender Energieumwandlungsprozesse, um eine drastische Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe zu erreichen. Ein Schlüssel zur Effizienzsteigerung ist die Nutzung und Speicherung von Abwärme für die spätere Nutzung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung möglicher Materialien und Systeme für die thermochemische Energiespeicherung. Von Interesse für geeignete Materialien sind die Vollständigkeit der chemischen Reaktion, die Reversibilität, die Zyklenstabilität und die kinetischen Parameter. Der Fokus für diese Untersuchung liegt auf Reaktionen zwischen festen Wärmespeichermaterialien und reaktiven Gasen aufgrund der relativ einfachen Phasen-Trennung und der getrennten Speicherungsmöglichkeit. Als Speichermaterialien werden verschiedene Arten anorganischer Salze und Salzhydrate sowie Übergangsmetalloxide und Übergangsmetallsalze untersucht. Die gewählten reaktiven Gase sind Wasserdampf, Sauerstoff und Ammoniak sowie Kohlendioxid. Die Reaktionen wurden mit verschiedenen unabhängigen analytischen Methoden untersucht, zum Beispiel simultane thermische Analyse und in-situ Pulver-Röntgenbeugung. Die Materialien wurden durch verschiedene spektroskopische Methoden wie Röntgenfluoreszenzspektroskopie und bildgebende Verfahren wie Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie sowie spezifische Oberflächenmessungen mit der Brunauer-Emmett-Teller-Theorie (BET) charakterisiert.

Global warming and reduction of extensive emissions of greenhouse gases to the atmosphere are the major challenges of the global energy system nowadays. The widely discussed solutions are the promotion of renewable energy sources and enhancing the efficiency of existing energy converting processes to reach a dramatical reduction of fossil fuel usage. One key to efficiency enhancement is the utilization and storage of waste heat for later usage. This thesis deals with the investigation of possible materials and systems for thermochemical energy storage. Key features of interest for suitable materials are the completeness of the chemical reaction, the reversibility, the cycle stability and the kinetic parameters. The focus for this investigation lies on reactions between solid heat storage materials and reactive gases because of the relative ease of phase separation and its storage possibility. As storage materials different kinds of inorganic salts and salt hydrates as well as transition metal oxides and transition metal salts are investigated. The chosen reactive gases are water vapor, oxygen, ammonia and carbon dioxide. The reactions were investigated using different independent analytical methods for example thermogravimetry / differential scanning calorimetry and in situ powder X-ray diffraction. The materials were characterized via different spectroscopic methods like X-ray fluorescence spectroscopy, and imaging techniques such as microscopy and scanning electron microscopy, as well as specific surface area measurements using Brunauer-Emmett-Teller theory (BET).