Der Wärmeübertragung ein Schnippchen schlagen – Energiespeicherung und Wärmetransformation mit thermochemischen Systemen am Beispiel von SrBr2

Kurzfassung

Der effizienten Speicherung und Rekuperation thermischer Energie macht nicht selten die im Wärmeübertrager auftretende Temperaturdifferenz (Grädigkeit) der Wärmeströme einen Strich durch die Rechnung: Da es sowohl bei der Beladung als auch bei der Entladung beispielsweise eines sensiblen „Wärmespeichers“ zu Temperaturgradienten kommt, ist die Entladetemperatur niedriger als die Beladetemperatur des Speichers. Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten thermischer Energiespeicher bei der Reintegration von Prozessabwärme ein. Diese Problemstellung wird durch den Einsatz thermochemischer Systeme zur Speicherung und „Transformation“ von Energie adressiert. Dabei wird thermische Energie in Form chemischen Potentials der Reaktionspartner einer umkehrbaren chemischen Reaktion gespeichert. Die Nutzung der Druckabhängigkeit der Reaktionstemperatur einer Gas-Feststoff-Reaktion A(s) + B(g) ⇌ AB(s) + ∆RH ermöglicht dabei das Ausgleichen von Temperaturgradienten zwischen Beladung (endothermer Reaktion) und Entladung (exothermer Reaktion) des Energiespeichers: Ein Erhöhen des Drucks des gasförmigen Reaktionspartners führt zu einer höheren Reaktionstemperatur im Vergleich zur Speicherbeladung bei niedrigem Druck. Die chemische Reaktion erfüllt dabei nicht nur die Speicherfunktion, sondern führt zusätzlich zu einem Wärmepumpeneffekt. Der durch die Druckerhöhung erzeugte Temperaturhub kann nicht nur dazu dienen, die Grädigkeiten der Wärmeübertrager zu kompensieren, sondern auch gespeicherte Energie darüber hinaus thermisch „aufzuwerten“. Neben der Antriebsart unterscheidet sich auch der Temperaturbereich dabei wesentlich vom Einsatzbereich konventioneller, von elektrischer Energie angetriebener Wärmepumpen: Als Antrieb für die Wärmetransformation kann beispielsweise bei 100 °C anfallende Prozessabwärme genutzt und ein Wärmestrom bei über 200 °C thermisch aufgewertet werden. Eine Gruppe der in der Literatur bekannten thermochemischen Reaktionssysteme sind dabei die Hydrate anorganischer Salze [1]. Am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) konnte die technische Umsetzung der Wärmetransformation basierend auf dem Stoffsystem SrBr2/H2O in einem Reaktor im Technikumsmaßstab (1000 g Speichermaterial) im Temperaturbereich von 200 °C bis 230 °C erstmals demonstriert werden. Erste Messergebnisse zeigen, dass sowohl die Beladung als auch die Entladung des Speichers bei einer Temperatur von 210 °C umsetzbar ist. Das Funktionsprinzip der Wärmetransformation und der Unterschied zu konventionellen Wärmepumpen soll anhand des Stoffsystems SrBr2/H2O erläutert werden. Die Messergebnisse aus dem Technikumsversuch werden den mittels thermogravimetrischer Analyse bestimmten thermodynamischen Daten des Reaktionssystems gegenübergestellt. Betrachtungen des Wirkungsgrads eines thermodynamischen Vergleichsprozesses sollen ferner das Potential sowie auch die Grenzen der Wärmetransformation mittels thermochemischer Systeme verdeutlichen. Literatur: [1] YU, Y.Q.; ZHANG, P.; WU, J.Y.; WANG, R.Z. Energy upgrading by solid-gas reaction heat transformer: A critical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008, Volume 12, 1302-1324.