Experimentelle Untersuchung struktureller Veränderungen von Calcium-basierten Materialien für die thermochemische Energiespeicherung

Kurzfassung

Das CaO/Ca(OH)2-Reaktionssystem eignet sich hervorragend für die thermochemische Energiespeicherung. Vorteile sind die geringen Materialkosten des Kalks und die bisherigen Erfahrungen im Bereich der konventionellen Anwendungen in der Baustoffindustrie. Nicht zuletzt hat sich ein bereits erfolgreich im Labormaßstab demonstriertes System im nicht bewegten Reaktionsbett für die thermochemische Speicherung bewährt. Der Kalk geht eine exotherme Reaktion mit Wasser ein und gibt dieses endotherm wieder ab. Die im Kalk entstehende thermische Energie muss anschließend über einen Wärmeübertrager abgegeben/aufgenommen werden. Herausforderungen stellen jedoch der Stoff- und Wärmetransport durch das Pulver sowie die Agglomeration des Kalks dar. Modifikationen, wie die Beigabe von Nanomaterialien, können für diese Probleme Abhilfe schaffen. In der vorliegenden Arbeit wird die strukturelle Veränderung von Calcium-basierten Materialien für die thermochemische Energiespeicherung untersucht. Verwendet werden ein mit Nanopartikeln modifiziertes sowie ein keramisch gekapseltes Ca(OH)2-Material. Als Referenzmaterial dient ein nicht modifiziertes Ca(OH)2. Diese Materialien werden in einem durchsichtigen Quarzglasreaktor in einem Hochtemperatur-Permeabilitäts-Teststand zykliert. Dadurch sind erstmals visuelle Beobachtungen der Schüttungsstruktur über die Höhe der Schüttung zwischen einzelnen Reaktionsschritten möglich. Die Durchströmung der Calcium-basierten Materialien findet entweder mit Wasserdampf oder Stickstoff statt. Nach jedem Halbzyklus werden Bilder der Schüttungsverläufe gemacht und diese auf theoretischen Grundlagen und vorangegangenen Arbeiten hin bewertet und interpretiert. Zudem werden die Temperaturmessungen in der Schüttung untereinander verglichen. Druckdifferenzänderungen über die Schüttung und die unterschiedlichen Schütthöhen sind abschließend in der Auswertung berücksichtigt. Die Untersuchungen der visuellen Veränderungen zeigen, dass sich bei den modifizierten Materialien weniger Agglomerate bilden und diese auch weniger groß ausgeprägt sind. Bei allen Materialien findet eine signifikante Volumenänderung der Schüttung nach dem ersten Zyklus statt. Zudem bilden sich Strömungskanäle und Risse in der Schüttungsstruktur. Das mit Nanopartikeln modifizierte Material zeigt geringere Reaktionsfreudigkeit als nicht modifiziertes Ca(OH)2, ist aber dafür zyklenstabil und weist im Verlauf der Zyklen keine gravierenden Temperaturschwankungen auf. Die Kalk-Kapseln verlieren im Laufe der Zyklen an Reaktionsfreudigkeit, was durch geringere Maximaltemperaturen erkennbar wird. Die Messdaten liefern in Kombination mit den Bildern der verschiedenen Schüttungen wertvolle Erkenntnisse über das Zyklenverhalten.