Modellierung der Vorg\u00e4nge im thermochemischen W\u00e4rmespeicher auf Basis partikelbasierter Methoden<\/p>\n
Die thermochemische W\u00e4rmespeicherung bietet aufgrund hoher Speicherdichten betr\u00e4chtliche Potenziale zur Reduktion der Treibhausgasemissionen auf Seiten der Energieerzeugung und -verwendung sowie f\u00fcr den mittelfristigen Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energiequellen. Gleichzeitig ist die Materialentwicklung f\u00fcr 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\u00f6rmigen Materials, die einen technischen Speicherprozess signifikant beeintr\u00e4chtigt, steht die Entwicklung von Partikeln persistenter Gr\u00f6\u00dfe im Fokus der Materialforschung. Zur zielgerichteten Materialmodifikation f\u00fcr technische Applikationen ist eine Verkn\u00fcpfung anwendungsseitiger Randbedingungen und -anforderungen mit der grundlagenorientierten Materialentwicklung erforderlich. Hier setzt das Ziel dieser Arbeit an, die Vorg\u00e4nge im W\u00e4rmespeichermaterial selbst durch die Definition eines mathematischen Reaktionsmodells f\u00fcr Partikel mit stabilisierender H\u00fcllschicht abzubilden, um so m\u00f6gliche Pfade der Entwicklung zu beleuchten und zu bewerten.<\/p>\n
Das Partikelreaktionsmodell basiert auf einem Unreacted Shrinking Core Ansatz. Die Validierung erfolgt mehrstufig gegen\u00fcber experimentellen Ergebnissen aus der Simultanen Thermischen Analyse. Durch die mehrstufige Validierung, die zuerst den Abgleich von Experiment und Modell f\u00fcr unbeschichtete Granalien ber\u00fccksichtigt, werden die Freiheitsgrade zun\u00e4chst auf die Materialparameter des reaktiven Partikelkerns begrenzt. Im Rahmen der anschlie\u00dfenden Parametervariation wird gezeigt, dass die prozesstechnischen Gr\u00f6\u00dfen Temperatur und Wasserdampfpartialdruck signifikanten Einfluss auf die erforderliche Verweilzeit des Speichermaterials im Reaktor nehmen. Die Erh\u00f6hung der Beladungstemperatur von 540\u00a0\u00b0C auf 580\u00a0\u00b0C f\u00fchrt bei 500\u00a0mbar Wasserdampfpartialdruck zu einer Reduktion der Verweilzeit von rd. 2\u00a0s\/K, w\u00e4hrend die Entladung durch eine Erh\u00f6hung des Wasserdampfpartialdrucks von 500\u00a0mbar auf 800\u00a0mbar bei 350\u00a0\u00b0C Gastemperatur um rd. 0,25\u00a0s\/mbar beschleunigt werden kann. Auf materialtechnischer Seite wirkt sich die Partikelgr\u00f6\u00dfe ebenso wie die Kernporosit\u00e4t signifikant aus. Die Halbierung des Referenzdurchmessers des gekapselten Speichermaterials von 2\u00a0mm auf 1\u00a0mm f\u00fchrt zu einer rd. 30\u00a0% verringerten Verweilzeit bei der Speicherentladung sowie rd. 55\u00a0% bei der Beladung. Die Verdopplung auf 4\u00a0mm f\u00fchrt zur Verdoppelung der Verweilzeit bei der Ent- bzw. Verdreifachung bei der Beladung. Durch die Erh\u00f6hung der Kernporosit\u00e4t auf 40\u00a0% sind reduzierte Verweilzeiten von rd. 13\u00a0% bei der Entladung bis 26\u00a0% bei der Beladung realisierbar, w\u00e4hrend eine Kernporosit\u00e4t von 10\u00a0% die Reaktion um rd. 45\u00a0% bzw. 88\u00a0% verlangsamt. Hier wird gezeigt, dass der Stoff\u00fcbergang durch Diffusion im Partikelkern die Feststoffkonversion trotz geringer W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit des Kerns weitaus st\u00e4rker beeinflusst als der W\u00e4rme\u00fcbergang. Insgesamt weist der Status quo durch die Beschichtung der Granalien mit pyrogenem Aluminiumoxid im Vergleich zur bisher applizierten keramischen Kapselung auf Basis von Bl\u00e4hton eine gute Ausgangsbasis auf. Aufgrund der geringen Beschichtungsst\u00e4rke von rd. 30\u00a0\u03bcm wirkt sich auch eine Reduktion der Beschichtungsporosit\u00e4t nicht nennenswert aus, so dass hier die M\u00f6glichkeit besteht, z.B. durch ein verdichtetes Gef\u00fcge zur Steigerung der mechanischen Best\u00e4ndigkeit der Granalien beizutragen. Auf Anwendungsseite sind insbesondere bei der Beladung Prozesse vorzuziehen, die eine parallele energetische Nutzung des freiwerdenden Wasserdampfes und der sensiblen W\u00e4rme erm\u00f6glichen, da allein die ungenutzte Kondensationsenthalpie des Wasserdampfes ein Verlustpotenzial von rd. 30\u00a0% darstellt. F\u00fcr die saisonale Lastverschiebung bieten sich aufgrund des Grundlastbedarfs hier insbesondere W\u00e4rmenetze an.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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