Title: MgO/Mg(OH)2 as thermochemical energy storage materials in a fluidized bed reactor
Other Titles: Mg(OH) tief 2
MgO/Mg(OH)2 als thermochemisches Energiespeichermaterial in einem Wirbelschichtreaktor
Language: English
Authors: Bartik, Alexander  
Qualification level: Diploma
Advisor: Werner, Andreas 
Assisting Advisor: Birkelbach, Felix  
Issue Date: 2018
Citation: 
Bartik, A. (2018). MgO/Mg(OH)2 as thermochemical energy storage materials in a fluidized bed reactor [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-118540
Number of Pages: 103
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Thermochemische Energiespeicherung stellt eine vielversprechende, neuartige Technologie zur Effizienzsteigerung und zur Unterstützung bei der Erzeugung nachhaltiger Energie dar, wobei ausgeprägte Vorteile zu anderen thermischen Energiespeicherkonzepten bestehen. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Reaktionssystem bestehend aus Magnesiumoxid und Magnesiumhydroxid in einem Wirbelschichtreaktor experimentell auf die Eignung als thermochemisches Speichermaterial untersucht. Dabei werden fluiddynamische Grundgrößen, mechanische Stabilität, Hydratisierungsund Dehydratisierungskinetik, als auch die Reversibilität der Reaktion unter mehrzyklischer Beanspruchung bestimmt. Zur Untersuchung stehen karbonatstämmige und hydroxidstämmige Materialien zur Verfügung. Alle Materialien zeigen grundsätzlich gutes Wirbelverhalten. Mechanische Stabilität ist, bis auf hydroxidstämmiges Material unter Dehydratisierungsbedingungen, unter allen untersuchten Bedingungen gegeben. Auch der Einfluss von Reaktionsbedingungen auf die Hydratisierungsbzw. Dehydratisierungskinetik geht eindeutig aus den Daten hervor. Bei einem Dampfpartialdruck von 0,4 bar und 80 C sowie bei 0,6 bar und 100 C können Umsätze von 60% bis 80% nach 3 h erreicht werden. Maximale Umsatzraten liegen dabei bei ungefähr 2 · 104 s1. Hingegen führen 0,4 bar und 100 C nur zu Umsätzen <20 %. Karbonatstämmiges Material zeigt verbesserte Kinetik nach abgeschlossenem ersten Zyklus mit Umsatzraten bis 5 · 104 s1. Eine gegenüber dem Ausgangsmaterial verfünffachte spezifische Partikeloberfläche nach abgeschlossener Dehydratisierungsreaktion wurde als Ursache für die gesteigerte Hydratisierungskinetik identifiziert. Hydroxidstämmiges Material geht mit einer bis zu Verzehnfachung der Oberfläche einher, nachfolgende Zyklen führen aber zu einer substantiellen Materialdegradierung. Karbonatstämmiges Material zeigt hierbei verbesserte Stabilität. Im Vergleich zu Ergebnissen aus simultanen thermischen Analysen im Kleinstmaßstab, kann eine verbesserte Kinetik erreicht werden. Ab dem 2.Zyklus sind Ausspeicherleistungen bis zirka 1 kW/kg möglich. Die Ausspeicherkapazität bleibt aber auf 50% des Maximalwerts beschränkt, auch bei Inkaufnahme niedriger Leistungen. Für die mögliche Anwendung als Niedertemperaturenergiespeicher besitzt das Reaktionspaar ausreichende Eigenschaften. Materialoptimierung, auch hinsichtlich Wirbelverhalten, könnte die Anwendbarkeit als thermochemisches Speichersystem weiter ausbauen.

Thermochemical energy storage (TCES) is a promising new technology to increase efficiency and support sustainable energy generation with distinct advantages compared to other thermal energy storage systems. In this thesis, the magnesium oxide/magnesium hydroxide system is experimentally investigated in a fluidized bed reactor (FBR) for its applicability as a TCES material pair. Basic fluid dynamic quantities, mechanical stability, hydration and dehydration kinetics as well as reversibility under repetitive reaction conditions are determined. For testing, two different types of material are considered (carbonate-bases/hydroxide-based). Overall, materials show good fluidization behavior. Mechanical stability is given for all investigated conditions, except for hydroxide-based material under stress of dehydration. The influence of reaction parameters on hydration/dehydration kinetics is clearly shown. At 0.4 bar partial steam pressure and 80 C as well as 0.6 bar and 100 C, 60% to 80% conversion is reached after 3 h with a maximum conversion rate of about 2 104 s1. At 0.4 bar and 100 C conversion stays below 20 %. Carbonate-based material exhibits an acceleration of kinetics after the initial cycle up to a maximum of 5 104 s1. Dehydration, with a fivefold increase in specific surface area (SSA) compared to initial material, is found to be the reason. Hydroxide-based material is accompanied by a surface area increase up to tenfold, but it shows fast deterioration for consecutive cycles. Carbonate-based material is more stable under repetitive reaction conditions. Compared to lab-scale simultaneous thermal analysis (STA) experiments, kinetic improvement is achieved. From second cycle hydration on, a maximum discharge power of about 1 kW/kg is possible. Discharge capacity is, however, limited to 50% of maximum value, even if a lower discharge power is accepted. The investigated reaction system shows sufficient properties for application as a possible low temperature storage material. Especially if materials are further optimized, also in regard to utilization in a FBR, their applicability as TCES system could be enhanced.
Keywords: Energiespeicherung; thermochemisch
energy storage; thermochemical
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-118540
http://hdl.handle.net/20.500.12708/7334
Library ID: AC15213897
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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