The search for the ideal thermochemical energy storage

Abstract

Um den durch die globale Erwärmung verursachten Klimawandel zu bekämpfen ist ein Wandel zu einem globalen, vollständig nachhaltigen Energiesystem angeführt von Erneuerbaren Energien unvermeidlich. Energiespeichersysteme haben eine Schlüsselrolle um das Problem der intermittierenden Energieversorgung die durch Erneuerbare Energien bereitgestellt wird zu lösen. Thermochemische Energiespeicher ("TCES") Systeme setzen auf chemische Reaktionen um Wärme zu speichern. Die Schwierigkeit besteht darin, geeignete chemische Reaktionen für eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten für Energiespeicher zu finden. Daher, um verlässlich neue Reaktionen finden zu können, wird in dieser Arbeit der Versuch unternommen ein Modell basierend auf thermodynamischen Grundlagen um die thermodynamische Gleichgewichtskonstante K zu formulieren wie neue, vielversprechende chemische Reaktionen für TCES Systeme ermittelt werden können. Um das Modell zu testen wurde ein Parallelverarbeitung fähiges Programm geschrieben welches die chemischen Spezies einer thermodynamischen Datenbank durchsucht um stöchiometrisch korrekte chemische Reaktionen zu finden welche die vom Modell vorgegebenen Kriterien erfüllen. Die Beschränkung der Suche des Programms auf Reaktionen die ausschließlich aus Feststoffen und einigen wenigen spezifischen Gasen bestehen führte zu einer Programmausgabe die aus etwa 400 chemischen Reaktionen besteht. Für alle dieser Reaktionen welche die Kriterien des Modells erfüllen konnte das thermodynamische Verhalten das in dieser Arbeit als eine Voraussetzung gesehen wird für chemische Reaktionen die für TCES Systeme verwendet werden können beobachtet werden.

To combat the global warming induced climate change, a transition towards a global, fully sustainable energy system led by renewable energy is inevitable. Energy storage systems play a key role to address the problem of intermittent energy supply provided by renewables. Thermochemical energy storage ("TCES") systems rely on chemical reactions to store heat. The challenge lies in finding appropriate chemical reactions for a variety of energy storage applications. Therefore, to reliably find new chemical reactions, this work attempts to formulate a model based on thermodynamic fundamentals around the thermodynamic equilibrium constant K on how new promising chemical reactions for TCES systems can be identified. In order to test the model, a parallel computing capable program was written that iterates through the chemical species in a thermodynamic database and attempts to find stochiometrically correct chemical reactions that fulfill the criteria outlined by the proposed model. Limiting the search of the program to reactions that consist solely out of solids and a few specific gases lead to the program output containing about 400 chemical reactions. For all of these reactions that fulfill the criteria of the proposed model, the thermodynamic behavior that is expected in this work to be a requirement for a viable reaction for a TCES system could be observed.