Entwicklung eines ganzheitlichen Modells zur Beschreibung der Vorgänge im thermochemischen Wärmespeicher auf Basis partikelbasierter Methoden am Beispiel des Reaktionssystems Calciumoxid/Calciumhydroxid

Stipendiatin/Stipendiat: Klaus Afflerbach

Aufgrund der Klimaveränderung und der damit verbundenen Erhöhung der durchschnittlichen Erdtemperatur ist es im Hinblick auf den nachhaltigen und verantwortungsvollen Umgang mit der Natur eines der wichtigsten Ziele, die Emission treibhauswirksamer Gase stark zu reduzieren. Das innovative Forschungsgebiet der thermochemischen Wärmespeicherung biete enorme Potentiale auf dem Gebiet der Energieerzeugung sowie -verwendung zu dieser Reduktion beizutragen und mittelfristig den Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energiequellen zu unterstützen. Thermochemische Wärmespeicher besitzen eine hohe Speicherdichte und können je nach Materialsystem in einem Temperaturbereich von rund 150 - 900°C eingesetzt werden. In den vergangenen Jahren konnten bereits wichtige Fortschritte mit der Untersuchung unbewegter Speichermaterialien erzielt werden. Nachdem der Funktionsnachweis für die Reaktionsführung in Festbettreaktoren erfolgt ist, stellt die Entkopplung von Leistung und Kapazität des Systems durch die Separation des Reaktors von der Lagerung des be- beziehungsweise entladenen Materials einen vielversprechenden Ansatz auf dem Weg zu einem einsatzfähigen, technisch-wirtschaftlich sinnvollen Lösungsansatz dar. Hier steht die Forschung jedoch erst am Anfang.

An dieser Stelle setzt das Ziel des Promotionsvorhabens, die Vorgänge im Inneren des thermochemischen Wärmespeichers durch ein mathematisches Modell auf Grundlage partikelbasierter Methoden abzubilden und zu untersuchen, an. Im Fokus des Vorhabens liegt die grundlagenorientierte Definition eines Reaktionsmodells für gekapselte Partikel.

Zu Beginn des Vorhabens wurde die quelloffene Simulationsumgebung MFIX um eigenentwickelte Programmbestandteile ergänzt und so an die Erfordernisse des Vorhabens adaptiert. Zur Ermittlung relevanter Modelleingabeparameter für das Partikelreaktionsmodell wurden die Einsatzmaterialien hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften charakterisiert. Neben den relevanten Parametern zur Beschreibung der Widerstandsgrößen für die Wärme- und Stoffübertragung umfasst diese Analyse auch die Bestimmung der Kinetik des reaktiven Speichermaterials. Durch die Gegenüberstellung von Messergebnissen der kinetischen Untersuchungen an Speichermaterialpulver und -partikeln im Millimeterbereich mit existierenden Modellen zur Beschreibung der Reaktion konnte wie erwartet die Notwendigkeit der Berücksichtigung der die Umsatzrate limitierenden Transportvorgänge belegt werden. Für die Bestimmung der Widerstandsgrößen beim Stoffübergang wurde zur Ergänzung etablierter Verfahren (z.B. Porengrößenverteilung mittels BJH-Verfahren) eine Messzelle zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Im zweiten Jahr des Vorhabens stand die Entwicklung des widerstandsbehafteten Partikelreaktionsmodells im Fokus. Als Basis für das Partikelreaktionsmodell wurde ein Unreacted Core Modell ausgewählt und an die Erfordernisse der Abbildung des Reaktionssystems Ca(OH)2 ↔ CaO + H2O angepasst. Erforderliche, vertiefende Untersuchungen der relevanten Parameter zur Stoffübertragung haben eine mehrstufige Validierung des Modells auf Partikelebene (ungekapselt/gekapselt) erforderlich gemacht, die für die Dehydratationsreaktion erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Nach Abschluss der Validierung der Rehydratationsreaktion am Einzelpartikel erfolgt im weiteren Verlauf eine Validierung des Modells im Schüttungsmaßstab unter Berücksichtigung des Impulsaustausches sowie der Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gas- und Partikeln durch Gegenüberstellung der gemessenen und berechneten Drücke, Temperaturen im Reaktorraum und der Gaszusammensetzung am Reaktoraustritt bei experimentellen Untersuchungen an einem Laborreaktor. Anschließend erfolgt die Modellapplikation zur Bewertung des Einflusses der Übertragungsmechanismen auf die Leistungsfähigkeit der thermochemischen Zyklierung des Reaktionssystems Calciumoxid / Calciumhydroxid in einem Wanderbett- beziehungsweise Wirbelschichtreaktor. Darüber hinaus soll die Effizienz des Wärmeein- beziehungsweise -austrags bewertet und neben der Verweilzeit auch die mechanischen Kräfte, die auf den Einzelpartikel wirken, ermittelt werden. Abschließend wird durch die Definition eines konkreten Anforderungsprofils eine Schnittstelle zwischen technischer Anwendung (Ingenieurwissenschaft / Energietechnik) und grundlagenorientierter Materialentwicklung (Chemie / Materialwissenschaft) für die zukünftige Materialentwicklung thermochemischen Speichermaterials geschaffen.

Förderzeitraum:
01.07.2017 - 30.06.2020

Institut:
Universität Siegen
Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik

Betreuer:
Prof. Dr. Wolfgang Krumm

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: http://www.mb.uni-siegen.de/euvt/lehrstuhl/?lang=de