Chemische Speicherung und Transformation thermischer Energie mit Calciumchlorid und Wasserdampf

Kurzfassung

Die Reintegration und Nutzung industrieller Abwärme weist ein hohes Potential zur Einsparung von Primärenergieträgern und damit zur Reduktion von Kohlendioxidemissionen auf. Allerdings wird die Weiterverwertung durch die fluktuierende Verfügbarkeit und das unzureichende Temperaturniveau der Abwärme erschwert. Thermochemische Energiespeicher auf Basis von Gas-Feststoff-Reaktionen bieten nicht nur die Möglichkeit zur Speicherung thermischer Energie mit hoher energetischer Speicherdichte, sondern sie ermöglichen gleichzeitig auch ein Anheben des Temperaturniveaus durch Wärmetransformation. In der vorliegenden Arbeit wurde daher eine Gas-Feststoff-Reaktion für die chemische Speicherung und Transformation thermischer Energie zwischen 100 °C und 200 °C identifiziert, charakterisiert, modelliert und im Labormaßstab demonstriert. Ausgehend von einer Literaturrecherche wurden zunächst sechs Salzhydrate ausgewählt und experimentell untersucht. Dabei stellte sich Calciumchlorid als geeignetes Referenzmaterial für weitergehende Analysen heraus. Ausgehend von einer detaillierten Untersuchung der Thermodynamik und Kinetik der Reaktion mit Wasserdampf sowie der thermophysikalischen Größen des Materials, wurde ein FEM-Modell entwickelt. Damit wurden entscheidende Grundlagen für die Analyse und das Modellverständnis von Hydraten geschaffen. In einer Sensitivitätsanalyse wurden die Permeabilität der Feststoffschüttung sowie deren Wärmeleitfähigkeit als einflussreichste Parameter für den Speicherbetrieb identifiziert. Das Modell wurde anhand experimenteller Daten eines Rohrbündelreaktors im Labormaßstab mit einer Kapazität von 550 kJ validiert. Dabei konnte die chemische Speicherung und Tansformation thermischer Energie mit einer energetischen Speicherdichte von 216 kWh/m^3 und einer thermischen Aufwertung von 130 °C auf 165 °C erstmals demonstriert werden.