Auslegung und Aufbau einer Zyklusanlage für Gas-Feststoff-Reaktionssysteme

Abstract

Durch die Energiewende wird bevorzugt auf fluktuierende Energieerzeuger gesetzt. Um die zeitliche Diskrepanz zwischen Erzeugung und Verbrauch der Energie zu kompensieren werden Speicher benötigt. 54 % der erzeugten Energie wird für thermische Prozesse benötigt. Um den CO2-Ausstoß für die Energiewende zu verringern, muss man auf erneuerbare Energien setzen, oder bei den vorhandenen Verbrauchern die Effektivität steigern. Hier gibt es die größten Einsparmöglichkeiten bei den thermischen Prozessen, da sie den größten Teil der verbrauchten Energie ausmachen. Um die Effektivität vorhandener Energieverbraucher zu erhöhen gibt es die Möglichkeit der Rückkopplung von nicht verbrauchter Energie, zum Beispiel aus Abwärme. Abwärme tritt meist in einem Temperaturniveau auf, das zur weiteren Verwertung ineffizient ist, oder aber zu einer Zeit, bei der die Abwärme nicht benötigt wird. Um die anfallende thermische Energie nutzbar zu machen wird sie auf einem höheren Temperaturniveau benötigt. Dies lässt sich mit einem thermochemischen Speicher realisieren. Im Winter wird abfallende Wärme zur Beheizung von Räumen verwendet. Diese Wärme wird den Sommer über nicht benötigt. Daher wird nach einem System gesucht, das die Wärme über einen langen Zeitraum ohne große Verluste speichern kann. Aber auch Kurzzeitwärmespeicher von einigen Stunden sind für die Speicherung der Abwärme erforderlich, um Energieverbrauch und Nachfrage anzugleichen. Im Optimalfall soll dieser thermische Speicher die Energie nicht nur über eine ganze Saison hinweg speichern können, sondern zusätzlich die thermische Energie aufwerten, von einer niederkalorischen Wärme auf ein höheres Temperaturniveau. Aus diesem Grund wird am Institut für technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt am Standort Stuttgart an thermochemischen Speichern geforscht und gearbeitet. So werden verschiedene Stoffe auf ihre Fähigkeit und Effizienz als Speicherstoff getestet. Um die Kinetik eines Stoffes, die unter idealen Bedingungen gemessen wurden, zu überprüfen, sollen die Stoffe nun unter realen Bedingungen auf die Zyklenstabilität überprüft werden. Mit einer automatischen Zyklusanlage für Gas-Feststoff-Reaktionssysteme lassen sich Speicherstoffe sehr gut testen, ob sie auch über längere Zeit, also viele Be- und Entladezyklen des Speichers, als Speicher zu gebrauchen sind. So wird, wie in dieser Arbeit beschrieben, eine Anlage entwickelt, ausgelegt und aufgebaut, die unter möglichst vielen und unterschiedlichen Bedingungen verschiedene mineralische Stoffe und Salze als Speichermaterialien testen kann. Für die einzelnen Aufgaben der Anlage das passende Gerät zu entwickelt und auslegen auf die Gegebenheiten von Temperatur, Druck, Geometrie und deren Aufgabe. Die Zyklusanlage stellt Wasserdampf bei einem bestimmten Druck als Reaktionspartner zur Verfügung und heizt den Reaktor auf bis zu 500 °C auf. Durch die Messung des Umsatzes auf zwei verschiedene Wege kann eine zuverlässige Aussage getroffen werden, wie der Reaktionsverlauf während eines Zyklus ist und wie sich die Reaktion nach vielen Zyklen ändert. Mithilfe der entwickelten Anlage werden Tests an verschiedenen Materialen durchgeführt. Diese Tests können jeweils an die benötigten Bedingungen angepasst werden und vollständig automatisch selbst über einen längeren Zeitraum den Speicherstoff testen und dabei alle benötigten Daten und Messgrößen aufnehmen und abspeichern. Solche Tests stellen einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung eines effizienten und ökonomischen thermischen Speichers dar.