Thermochemical energy storage – basic design of a lab-scale test plant for oil-suspended boric acid cycles

Abstract

Throughout the majority of industrial plants, large quantities of waste heat are released into the atmosphere. Tapping these heat sources could potentially yield a year's district heating energy demand next to appropriate plants. To store this energy from season to season, thermochemical energy storage is of growing interest, with boric acid being a candidate for low-temperature energy capture.The aim of this thesis is to design the apparative and operational requirements for a laboratory-scale plant that enables continuous full-cycle experiments with the thermochemical energy storage (TCES) system orthoboric acid - metaboric acid - boron oxide. So far, experiments have been conducted in small batch reactors under different temperature and pressure profiles to better understand the reaction kinetics; Once these results represent a found empirical knowledge of the novel approach to TCES - the operation in a suspension of thermo-oil - the plant will serve as a platform for experiments of heat transfer, conversion, phase separation, convection through different conveying units, cyclic stability, dehydration/rehydration efficiency and byproduct generation. This thesis is limited to theoretical modelling of the basic process steps in the simplified reaction system orthoboric acid - metaboric acid, calculating heat and mass flows as well as visualizing them with Sankey-diagrams, and designing the experimental plant's basic P&ID. A few operation modes are compared to maintain flexibility in a yet undiscovered field of research, and considerations about possibly occurring phenomena are discussed.

In den meisten Industriebetrieben werden große Mengen an Abwärme an die Atmosphäre abgegeben. Die Erschließung dieser Wärmequellen bei geeigneten Industrien könnte den Energiebedarf für die gesamte Fernwärme einer Heizperiode liefern. Um diese Energie über die Jahreszeiten zu speichern, ist die thermochemische Energiespeicherung von wachsendem Interesse, wobei Borsäure ein Kandidat für die Energiegewinnung bei Niedertemperatur ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die apparativen und betrieblichen Grundlagen für eine Anlage im Labormaßstab zu schaffen, die kontinuierliche Vollzyklusexperimente mit dem thermochemischen Energiespeichersystem (TCES) Borsäure - Metaborsäure - Boroxid ermöglicht. Bisher wurden Experimente in kleinen Batch-Reaktoren unter verschiedenen Temperatur- und Druckprofilen durchgeführt, um die Reaktionskinetik besser zu verstehen. Sobald diese Ergebnisse ein fundiertes empirisches Wissen über den neuartigen Ansatz der TCES - den Betrieb in einer Suspension von Thermoöl - darstellen, wird die Anlage als Plattform für Experimente zu Wärmeübertragung, Umwandlung, Phasentrennung, Konvektion durch verschiedene Fördereinheiten, zyklischer Stabilität, Dehydratisierungs-/Rehydratisierungseffizienz und Nebenproduktbildung dienen. Diese Arbeit beschränkt sich auf die theoretische Modellierung der grundlegenden Prozessschritte im vereinfachten Reaktionssystem Borsäure - Metaborsäure, die Berechnung von Wärme- und Massenströmen sowie deren Visualisierung mit Sankey-Diagrammen und den Entwurf des grundlegenden P&ID der Versuchsanlage. Eine Auswahl von Betriebsarten wird verglichen, um die Flexibilität in einem noch frischem Forschungsgebiet zu gewährleisten, und mögliche auftretende Phänomene werden diskutiert.