Thermochemische Energiespeicherung im Hochtemperaturbereich: Experimentelle Untersuchung der reversiblen Reaktion von Metalloxiden

Abstract

Für die Speicherung von thermischer Energie stellt die Nutzung der Reaktionsenthalpie reversibler chemischer Reaktionen ein vielversprechendes Konzept dar. Thermochemische Energiespeicherung basierend auf reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionen zeichnet sich durch hohe erreichbare Speicherdichten und leichte Trennbarkeit der Produkte aus, wodurch sich auch die Möglichkeit zur Langzeitspeicherung von Energie bei minimalen Verlusten aufzeigt. Speziell für eine thermische Energiespeicherung im Hochtemperaturbereich ab etwa 500°C bis über 1000°C bieten sich Metalloxide als Speichermaterialien an, welche mit Sauerstoff als Reaktionspartner reversibel reagieren. So könnten Metalloxide als Hochtemperatur-Speichermaterial beispielsweise in solarthermischen Turmkraftwerken eingesetzt werden, um dort Wärmeerzeugung und Energienachfrage voneinander zu entkoppeln. Des Weiteren bieten thermochemische Energiespeicher ein Potential zur Steigerung der Energieeffizienz in industriellen Hochtemperatur-Prozessen. Über die Wahl des Metalloxides kann die Reaktionstemperatur an den vorliegenden Prozess angepasst werden. Als Referenzsystem wurde die Reaktion von Manganoxid ausgewählt, dessen Gleichgewichtstemperatur an Luft bei etwa 900°C liegt. Hierzu wurde das Material charakterisiert, sowie thermoanalytische Messungen im Milligramm-Maßstab durchgeführt. Um das Speicherkonzept nachzuweisen und den Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf den Speicherbetrieb zu untersuchen, wurde ein Speicherreaktor im Labormaßstab für eine Partikelschüttung von bis zu 250 g Manganoxid aufgebaut. Es werden dabei Gastemperaturen am Ein- und Austritt der Schüttung, sowie Temperaturen auf verschiedenen Höhen innerhalb der Partikelschüttung gemessen. Die Bestimmung des Reaktionsumsatzes erfolgt über die Messung der sich ändernden Sauerstoffkonzentration.