Entwicklung eines Reaktorkonzepts mit bewegtem Reaktionsbett für thermochemische Energiespeicher

Kurzfassung

Die Entwicklung eines Reaktorkonzepts mit bewegtem Reaktionsbett für thermochemische Energiespeicher als zentrale Thematik dieser Arbeit teilt sich wesentlich in die vier unterschiedlichen Bereiche Reaktorauswahl, Modellierung, Materialmodikation und einen experimentellen Funktionsnachweis auf. Zuerst werden für das Reaktionssystem CaO/Ca(OH)2 grundlegende Reaktorkonzepte diskutiert und anhand von relevanten Parametern wird ein Wanderbett für die weitere Untersuchung bevorzugt. Um das System mathematisch zu verstehen, wurde ein vorhandenes Modell mit direktem Wärmeaustrag erweitert und der indirekte Wärmeaustrag an einem Reaktor mit unbewegtem Reaktionsbett validiert. Die Betriebsweise mit indirektem Wärmeaustrag wird aufgrund der einfacheren Reaktionsführung und flexiblerer Betriebsbedingungen vorgezogen. Jedoch stellt sich aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Schüttung eine enge Reaktorgeometrie bei indirektem Wärmeaustrag als erforderlich heraus. Dem entgegen steht der Hang des Materials zur Agglomeration während der thermochemischen Zyklierung und die schlechte Fließfähigkeit bedingt durch stark kohäsive Kräfte, was eine Modikation des feinen Pulvers notwendig macht. Durch die trockene Zugabe von Nanopartikeln bei definierten Mischbedingungen gelingt es die Fließfähigkeit der Schüttung gezielt einzustellen. Durch diese Methode können innovative Reaktorkonzepte mit engen Geometrien für einen verbesserten Wärmeaustausch einfach realisiert werden. Die Zyklenstabilität des modizierten Materials wurde nach 10 Zyklen in einem Technikumsreaktor analysiert. Die Untersuchung der Partikelgrößenverteilung und XRD-Messungen zeigen eine stabile Belegung der Oberfläche mit Nanopartikeln auf Kosten von Speicherkapazität aufgrund der Bildung von Calciumsilikaten. Abschließend wurde das Fließverhalten des modizierten Materials in einem Laborreaktor unter Umgebungsbedingungen, im heißen Zustand und unter Reaktionsbedingungen untersucht und ein Funktionsnachweis erbracht. Der Materialfluss und die thermochemische Reaktion können nachgewiesen werden, jedoch ist der Umsatz der chemischen Reaktion am Reaktoraustritt limitiert. Grund hierfür ist die mangelnde Eignung der Feindosiereinheiten vor und nach dem Reaktor als Gasbarriere, was eine gezielte Einstellung der Gasatmosphäre im Reaktionsraum unmöglich macht. Durch den Einsatz von zusätzlichen Schleusen in weiterführenden Arbeiten können diese Herausforderungen gelöst werden.