Experimentelle und theoretische Untersuchungen eines Festbettreaktors zur thermochemischen Speicherung niederkalorischer Wärme

Kurzfassung

Aufgrund ihrer Vorteile gegenüber anderen Speichertechnologien eignen sich thermochemische Energiespeicher sehr gut zur Speicherung von Prozessabwärme im Niedertemperaturbereich. Für diese Anwendung wurde bisher kein Speicherkonzept dieser Technologie in der Literatur beschrieben. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen die Entwicklung, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Versuchsstands zur Untersuchung thermochemischer Wärmespeicher im Labormaÿstab in einem Temperaturbereich zwischen 80 und 200 °C. In vorangegangenen Arbeiten wurde mittels Thermoanalyse gezeigt, dass sich das Reaktionssystem Calciumchlorid-Wasserdampf aufgrund der thermochemischen Eigenschaften (Gleichgewicht, Kinetik, Zyklenstabilität) prinzipiell für diesen Temperaturbereich eignet. Jedoch war der Ein�uss des Wärme- und Stofftransports auf den Reaktionsverlauf im Labormaÿstab (500 - 1000 g als Pulverschüttung) nicht bekannt. Zudem konnte eine Veränderung der Materialeigenschaften im Laufe der Reaktion aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts höherer Hydratstufen nicht ausgeschlossen werden. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Reaktorkonzept umgesetzt, welches zum einen durch entsprechende Temperaturmessstellen im Inneren der Pulverschüttung Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf ermöglichte, zum anderen ein Schmelzen des Reaktionsmaterials zuließ. Das Reaktionsbett basiert auf einem Rohrbündelwärmeübertrager mit 31 Rohren, die mit dem Reaktionsmaterial gefüllt sind. Als Wärmeträger wurde Thermoöl verwendet, welches mantelseitig durch den Reaktor strömt. Im Rahmen systematischer Untersuchungen mit variierten Dampfdrücken bzw. Wärmeträgertemperaturen zeigte sich, dass der Laborreaktor bei der Beladung eine thermische Spitzenleistung von ca. 300 W und bei der Entladung von ca. 400 W erreichte. Allerdings fällt die thermische Leistung im Laufe der Reaktion ab, da der Wärmetransport durch die bereits reagierten Schichten erschwert wird. Ein Fokus der Arbeit lag auf der Untersuchung des Stofftransports durch die Schüttung. Die Reaktionsgasversorgung erfolgte von oben, wodurch das Eindringen des Reaktionsgases und damit der Verlauf der Reaktion mit Hilfe der auf unterschiedlichen Höhen angeordneten Temperaturmessstellen beobachtet werden konnte. Es zeigte sich, dass sich zwar bei hohen Dampfdrücken (ca. 760 mbar) eine homogene Temperaturverteilung über das Reaktionsbett einstellte, bei tiefen Drücken (ca. 80 mbar) jedoch ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Betttiefe und gemessener Temperatur bestand. Mit Hilfe der entsprechenden Messstellen, konnte eine Messmethodik entwickelt werden, die eine Analyse der Permeabilität der Schüttung während der Reaktion zulieÿ. Die ermittelten Werte der Permeabilität lagen zwischen 1*10^-10m² und 2,7*10^-10 m². Dieser Bereich kann aufgrund der Ausdehnung der Partikel bei der chemischen Reaktion sowie der zu beobachteten Tendenz zur Agglomeration der Partikel nicht weiter eingeschränkt werden. Allerdings liegt die ermittelte Permeabilität in einem Rahmen, der für das gegebene Reaktionsbett eine Stofftransportlimitierung darstellen kann. So spielt insbesondere bei der thermischen Beladung der Stofftransport eine wesentliche Rolle, da hierbei grundsätzlich ein tiefer Reaktionsgasdruck angestrebt wird. Das verwendete Reaktionssystem könnte prinzipiell bei einem Dampfdruck von ca. 80mbar und einer Temperatur von 100 °C beladen werden. Dies war jedoch aufgrund der Stofftransportlimitierung im Labormaÿstab nur eingeschränkt möglich. Die Entladung des Systems hingegen konnte bei einem Dampfdruck von 800 mbar bei Öltemperaturen von 160°C ohne Stofftransportlimitierung realisiert werden. Mittels einer angepassten Modellierung konnte die Mindestpermeabilität identi�ziert werden, bei der der Stofftransport nicht mehr limitierend wirkt. Im Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen konnte dieses Modell hinsichtlich der Stoffübertragung veri�ziert werden. Neben der Permeabilität ist es auch wichtig, die Kennzahlen für die Wärmeübertragung des Reaktors exakt zu kennen, um das Verhalten des Reaktionssystems in anderen Reaktorkonzepten präzise vorhersagen zu können. Im Rahmen weiterer Untersuchungen des Speicherkonzepts ist dies eine essentielle Fragestellung. Für zukünftige Reaktorkonzepte ist, aufgrund der in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse, auf eine Bettgeometrie zu achten, welche insbesondere bei tiefen Dampfdrücken eine Stofftransportlimitierung ausschließt. Dies könnte bspw. durch sehr kurze Transportwege oder auch durch ein durchströmendes Trägergas realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Grundstein gelegt für einen thermochemischen Energiespeicher auf der Basis des Reaktionssystems Calciumchlorid-Wasserdampf. Dieser kann durch die Möglichkeit der Wärmetransformation im Temperaturbereich zwischen 80°C und 200°C nennenswerte Beiträge zur Eff�zienzsteigung liefern, insbesondere durch die Aufwertung industrieller Abwärme.