Simulation und Dimensionierung eines themochemischen Energiespeichers im Technikumsmaßstab

Abstract

Eine der großen Herausforderungen unserer Zeit ist es, den immer weiter steigenden Energiebedarf der Gesellschaft auf umweltverträgliche und kostengünstige Weise zu decken. Doch viele regenerative Energien basieren auf Quellen, die nur diskontinuierlich zur Verfügung stehen. Unser Energiebedarf passt zeitlich oft nicht mit dem Angebot überein, deshalb muss Energie gespeichert werden. Bei der Speicherung von Wärme sind fühlbare, latente und chemische Speicher vorstellbar. Die chemische Wärmespeicherung befindet sich am Anfang ihrer Entwicklung. Als Beitrag wird in dieser Arbeit ein chemischer Energiespeicher im Technikumsmaßstab in einem Temperaturbereich von 500 °C dimensioniert, der Wärmeleistungen bis 10 kW zur Verfügung stellen kann. Ziel ist es, den weltweit ersten Speicher dieser Größenordnung mit dem Reaktionssystem CaO/Ca(OH)2 zu bauen, der beispielsweise in Solarkraftwerken eingesetzt werden kann. Er soll eine Energiedichte von mindestens 200 kWh/m³ aufweisen. Dies entspricht 49 % der theoretisch erzielbaren Speicherdichte des Materials. Der Speicher wird als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Hier wechseln sich Luft und Schüttung ab, wobei die Schüttung die Wärme bereitstellt. Die Auslegung erfolgt dabei mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) mithilfe des Simulationsprogramms COMSOL Multiphysics®. Der Speicher wird für verschiedene Betriebsweisen und Varianten ausgelegt. Die oben genannte Forderung nach der Spitzenleistung wird durch geschickte Wahl der Geometrie und der Betriebsweise erreicht. Während des Spitzenbetriebs kann der Speicher eine Leistung von 10 kW liefern. Zusätzlich kann der Speicher durch die Definition eines Nennbetriebs eine konstante Leistung über einen langen Zeitraum liefern, in welchem 90 % des Materials umgesetzt wird. Calciumoxid (CaO) reagiert über eine Gas-Feststoff-Reaktion mit Wasserdampf zu Calciumhydroxid (Ca(OH)2). Die Höhe des Speichers richtet sich nach dem Gasdurchgang des Wasserdampfes durch das Reaktionsbett. Eine minimale Gleichgewichtstemperatur, welche vom Wasserdampfdruck innerhalb des Bettes abhängt, soll nicht unterschritten werden. Die Länge des Speichers richtet sich nach seiner Spitzenleistung. Die Geschwindigkeit der Luft für den Nennbetrieb muss dem Umsatz und der Wärmeleitfähigkeit des Materials entsprechend angepasst werden. Die Bettbreite wird bezüglich des maximalen Umsatzes untersucht. Die Anzahl der Luftkanäle wird zwischen drei und hundert variiert, wobei alle Varianten die geforderte Energiedichte erreichen können.Aus den Simulationen ergeben sich Zusammenhänge, welche die Auslegung des Speichers für die hier betrachteten Vorgaben ohne weitere Simulation ermöglichen. Es wurde die Variante mit zehn Luftkanälen mit einer Höhe von 10 cm, einer Länge von 66 cm und einer Breite von 24 cm gewählt. Darauf basierend wurde der Speicher in Auftrag gegeben und soll am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als Testreaktor eingesetzt werden.