Modellierung der Vorg\u00e4nge im thermochemischen W\u00e4rmespeicher auf Basis partikelbasierter Methoden<\/p>\n
Die thermochemische W\u00c3\u00a4rmespeicherung bietet aufgrund hoher Speicherdichten betr\u00c3\u00a4chtliche Potenziale zur Reduktion der Treibhausgasemissionen auf Seiten der Energieerzeugung und -verwendung sowie f\u00c3\u00bcr den mittelfristigen Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energiequellen. Gleichzeitig ist die Materialentwicklung f\u00c3\u00bcr das Reaktionssystem Calciumoxid \/ -hydroxid, dessen reversible energetische Be- und Entladung mit der Freisetzung bzw. Aufnahme von Wasserdampf einhergeht, weiterhin Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Aufgrund der hohen Agglomerationsneigung des pulverf\u00c3\u00b6rmigen Materials, die einen technischen Speicherprozess signifikant beeintr\u00c3\u00a4chtigt, steht die Entwicklung von Partikeln persistenter Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178e im Fokus der Materialforschung. Zur zielgerichteten Materialmodifikation f\u00c3\u00bcr technische Applikationen ist eine Verkn\u00c3\u00bcpfung anwendungsseitiger Randbedingungen und -anforderungen mit der grundlagenorientierten Materialentwicklung erforderlich. Hier setzt das Ziel dieser Arbeit an, die Vorg\u00c3\u00a4nge im W\u00c3\u00a4rmespeichermaterial selbst durch die Definition eines mathematischen Reaktionsmodells f\u00c3\u00bcr Partikel mit stabilisierender H\u00c3\u00bcllschicht abzubilden, um so m\u00c3\u00b6gliche Pfade der Entwicklung zu beleuchten und zu bewerten.<\/p>\n
Das Partikelreaktionsmodell basiert auf einem Unreacted Shrinking Core Ansatz. Die Validierung erfolgt mehrstufig gegen\u00c3\u00bcber experimentellen Ergebnissen aus der Simultanen Thermischen Analyse. Durch die mehrstufige Validierung, die zuerst den Abgleich von Experiment und Modell f\u00c3\u00bcr unbeschichtete Granalien ber\u00c3\u00bccksichtigt, werden die Freiheitsgrade zun\u00c3\u00a4chst auf die Materialparameter des reaktiven Partikelkerns begrenzt. Im Rahmen der anschlie\u00c3\u0178enden Parametervariation wird gezeigt, dass die prozesstechnischen Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178en Temperatur und Wasserdampfpartialdruck signifikanten Einfluss auf die erforderliche Verweilzeit des Speichermaterials im Reaktor nehmen. Die Erh\u00c3\u00b6hung der Beladungstemperatur von 540\u00c2\u00a0\u00c2\u00b0C auf 580\u00c2\u00a0\u00c2\u00b0C f\u00c3\u00bchrt bei 500\u00c2\u00a0mbar Wasserdampfpartialdruck zu einer Reduktion der Verweilzeit von rd. 2\u00c2\u00a0s\/K, w\u00c3\u00a4hrend die Entladung durch eine Erh\u00c3\u00b6hung des Wasserdampfpartialdrucks von 500\u00c2\u00a0mbar auf 800\u00c2\u00a0mbar bei 350\u00c2\u00a0\u00c2\u00b0C Gastemperatur um rd. 0,25\u00c2\u00a0s\/mbar beschleunigt werden kann. Auf materialtechnischer Seite wirkt sich die Partikelgr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178e ebenso wie die Kernporosit\u00c3\u00a4t signifikant aus. Die Halbierung des Referenzdurchmessers des gekapselten Speichermaterials von 2\u00c2\u00a0mm auf 1\u00c2\u00a0mm f\u00c3\u00bchrt zu einer rd. 30\u00c2\u00a0% verringerten Verweilzeit bei der Speicherentladung sowie rd. 55\u00c2\u00a0% bei der Beladung. Die Verdopplung auf 4\u00c2\u00a0mm f\u00c3\u00bchrt zur Verdoppelung der Verweilzeit bei der Ent- bzw. Verdreifachung bei der Beladung. Durch die Erh\u00c3\u00b6hung der Kernporosit\u00c3\u00a4t auf 40\u00c2\u00a0% sind reduzierte Verweilzeiten von rd. 13\u00c2\u00a0% bei der Entladung bis 26\u00c2\u00a0% bei der Beladung realisierbar, w\u00c3\u00a4hrend eine Kernporosit\u00c3\u00a4t von 10\u00c2\u00a0% die Reaktion um rd. 45\u00c2\u00a0% bzw. 88\u00c2\u00a0% verlangsamt. Hier wird gezeigt, dass der Stoff\u00c3\u00bcbergang durch Diffusion im Partikelkern die Feststoffkonversion trotz geringer W\u00c3\u00a4rmeleitf\u00c3\u00a4higkeit des Kerns weitaus st\u00c3\u00a4rker beeinflusst als der W\u00c3\u00a4rme\u00c3\u00bcbergang. Insgesamt weist der Status quo durch die Beschichtung der Granalien mit pyrogenem Aluminiumoxid im Vergleich zur bisher applizierten keramischen Kapselung auf Basis von Bl\u00c3\u00a4hton eine gute Ausgangsbasis auf. Aufgrund der geringen Beschichtungsst\u00c3\u00a4rke von rd. 30\u00c2\u00a0\u00ce\u00bcm wirkt sich auch eine Reduktion der Beschichtungsporosit\u00c3\u00a4t nicht nennenswert aus, so dass hier die M\u00c3\u00b6glichkeit besteht, z.B. durch ein verdichtetes Gef\u00c3\u00bcge zur Steigerung der mechanischen Best\u00c3\u00a4ndigkeit der Granalien beizutragen. Auf Anwendungsseite sind insbesondere bei der Beladung Prozesse vorzuziehen, die eine parallele energetische Nutzung des freiwerdenden Wasserdampfes und der sensiblen W\u00c3\u00a4rme erm\u00c3\u00b6glichen, da allein die ungenutzte Kondensationsenthalpie des Wasserdampfes ein Verlustpotenzial von rd. 30\u00c2\u00a0% darstellt. F\u00c3\u00bcr die saisonale Lastverschiebung bieten sich aufgrund des Grundlastbedarfs hier insbesondere W\u00c3\u00a4rmenetze an.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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