Thermische Energiespeicherung mit positivem ΔT: Experimentelle Charakterisierung eines thermochemischen Speichermoduls im 1 kW-Maßstab

Kurzfassung

In der Literatur ist das Prinzip der thermochemischen Wärmetransformation seit mehreren Jahrzenten bekannt. Es ermöglicht neben der Speicherung thermischer Energie auch das Anheben des Temperaturniveaus bei der thermischen Entladung [1]. Die auch „chemische Wärmepumpen“ genannten Systeme sind ein Spezialfall der thermochemischen Energiespeicherung mittels umkehrbarer Gas-Feststoff-Reaktionen: Im Vergleich zur endothermen Beladungsreaktion findet die exotherme Entladungsreaktion bei einer höheren Temperatur statt, die gespeicherte thermische Energie wird somit in Bezug auf ihr Temperaturniveau „aufgewertet“. Im Milligramm- bis Gramm-Maßstab experimentell untersuchte, geeignete Stoff-systeme sind in der Literatur beschrieben [2], auf die Auslegung großskaliger Speichermodule sind diese Untersuchungen jedoch nicht unmittelbar übertragbar. Insbesondere der schlechte Wärmetransport innerhalb der porösen Feststoff-schüttung verhindert häufig das Scale-Up. In der Literatur werden bislang nur wenige Systeme mit hoher spezifischer thermischer Leistung (kW/kg) diskutiert, die sich zudem meist schlecht auf eine technisch relevante Größenordnung übertragen lassen. Vor diesem Hintergrund haben wir ein Speicherdesign entwickelt, bei dem die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Feststoffschüttung durch das gezielte Einbringen von Wärmeleitstrukturen kompensiert wird. Im Rahmen des Beitrags stellen wir unsere aktuellen Ergebnisse zur experimentellen Charakterisierung eines einzelnen Speichermoduls mit einer thermischen Leistung im 1 kW-Maßstab vor. Dabei verwenden wir ein Salzhydrat, das im Temperaturbereich von 180 °C bis 300 °C einsetzbar ist. Die Reaktionstemperatur wird dabei über die Variation des Drucks des gasförmigen Reaktionspartners im Bereich von 0,1 bar bis 6 bar Wasserdampf eingestellt. [1] K. Stephan, “Der Wärmetransformator - Grundlagen und Anwendungen”, Chemie Ing. Tech., 1988. [2] M. Richter, E.-M. Habermann, E. Siebecke, M. Linder, “A systematic screening of salt hydrates as materials for a thermochemical heat transformer”, Thermochim. Acta, 2017.