Untersuchung einer innovativen Methode zur Dehydratation von Calciumhydroxid mittels Mikrowellen für die thermochemische Wärmespeicherung

Abstract

Der Treibhauseffekt und die begrenzten Ressourcen fossiler Brennstoffe machen die Nutzung neuer Energiequellen erforderlich. Dadurch steigt der Ausbau von alternativen Energiequellen wie Solar-, Wind- und Wasserkraft. Diese Energiequellen sind jedoch abhängig von klimatischen Einflüssen und oft genau dann begrenzt vorhanden, wenn sie vermehrt benötigt werden. Um hier zu intervenieren, müssen effiziente Energiespeicher für eine optimale Angebot-Bedarf-Passung entwickelt werden. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht im Bereich der thermischen Energiespeicherung an Hochtemperaturwärmespeicher. Besonders vielversprechend sind hierbei die thermochemischen Energiespeicher, die eine Langzeitspeicherung ohne Verluste bei gleichzeitig guter Schaltbarkeit möglich machen. Für diese Anwendung zeichnet sich das chemische Reaktionssystem Calciumhydroxid/Calciumoxid, welches reversibel ist, einen hohen Temperaturbereich (500 °C) und eine theoretisch hohe Speicherdichte von thermischer Energie (438 kWh/m²) besitzt, besonders aus. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entladung des Speichers, also mit der Dehydratation von Calciumhydroxid zu Calciumoxid unter Verwendung von Mikrowellenstrahlungen. Bisher wurde die Dehydratation mit Hilfe von elektrischer Widerstandsheizung oder einem Wärmeträgerfluid durchgeführt. Diese beiden Varianten zeigen jedoch einen langsamen Reaktionsablauf der Beladung auf. Aufgrund der höheren Eindringtiefe der Mikrowellen wird eine bessere Dynamik der Dehydratation erwartet und somit ein schnelleres Aufheizen des Calciumhydroxids. CaO(s) + H2O(g) ⇋ Ca(OH)2(s) + ΔHR Neben Calciumhydroxid wurden die Materialien Magnesiumhydroxid und Calciumsulfat-Dihydrat untersucht. Somit konnte eine Bewertung der Mikrowellenstrahlung auf die verschiedenen Bindungsarten des Wassers und der unterschiedlichen Reaktionstemperatur der jeweiligen Stoffe auf die Dehydratation getroffen werden. Anschließend wurde das Calciumhydroxid mit Aktivkohle versetzt und deren Anteil variiert. Dabei wurde die Wärmetönung der Pulverschüttung und der Umsatz mittels Aufzeichnung des Gewichts untersucht. Für eine ausreichende Charakterisierung, wurden die Messungen mit einer herkömmlichen Dehydratation mittels eines Ofens verglichen. Abschließend wurde die Messung der komplexen Permittivität von Calciumhydroxid durchgeführt. Die Untersuchungen zeigen, dass Calciumhydroxyd eine schwache Mikrowellenabsorptionsfähigkeit aufweist. Dies lässt sich anhand der Vergleichsversuche mit Magnesiumhydroxid und Calciumsulfat-Dihydrat auf die OH-Bindungsart zurückführen. Eine effektive Dehydratation ist aus diesem Grund nur möglich mit der Zugabe von Aktivkohle als Suszeptor (Katalysator). Die Untersuchungen der verschiedenen Zumischungen des Aktivkohlepulvers zeigen im Vergleich mit dem konventionellen Aufheizen im Ofen, dass ein verbesserter Umsatz ab einer Zumischung von 10% Aktivkohle zu erkennen ist. Hierbei konnte nach dem Ablauf von 60 Minuten eine Maximaltemperatur von 726 °C und ein Umsatz von 45% erreicht werden.