Thermodynamische Analyse thermochemischer Energiespeicher auf Basis reversibler Gas-Feststoff-Reaktionen
Obermeier, Jonas - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2017)
Die effiziente Nutzung thermischer Energie ist ein essentieller Bestandteil regenerativer Energiesysteme. In diesem Kontext wird der thermochemischen Energiespeicherung und insbesondere thermischen Dissoziationsreaktionen großes Potenzial zugesprochen. Um den Zeit- und Kostenaufwand der experimentellen Charakterisierung potentieller Systeme zu reduzieren, ist die Beantwortung der folgenden Fragen essentiell: Welche reaktiven Systeme können bei welchen Temperaturen eingesetzt werden? Welches Speicherbetriebsverhalten (Effizienz und Speicherdichte) ist zu erwarten? Mit welchen Methoden ist es möglich, das reale Speicherverhalten anzugeben?
Zur Beantwortung dieser Fragen wurde ein umfangreiches thermodynamisches Screening thermischer Direktdissoziationsreaktionen durchgeführt und anhand des Periodensystems der Elemente knapp 400 Reaktionsgleichungen formuliert. Die beteiligten Komponenten wurden hinsichtlich ihrer Phaseninstabilitäten analysiert, thermodynamisch bevorzugte Reaktionspfade ermittelt sowie die Reaktionsgleichgewichte berechnet. Die 125 identifizierten Reaktionen decken ein Temperaturspektrum von 300 bis 2000 K ab.
Durch eine energetische Evaluation auf stofflicher Ebene wurde gezeigt, dass die berechneten Reaktionsenthalpien grundsätzlich hohe Energiespeicherdichten ermöglichen.
Zur Modellierung realer Speicherbetriebsbedingungen wurde ein Modell entwickelt, das eine Abschätzung des, im realen Prozess notwendigen, Temperaturversatzes vom Gleichgewichtszustand ermöglicht. Die Theorie basiert auf der thermodynamischen Triebkraft der Reaktion und kann zur Identifizierung der, unter realen Bedingungen begünstigten Reaktion dienen.
Die Ermittlung der energetischen und exergetischen Speichercharakteristik wurde in zwei Schritten durchgeführt: 1.) Durch die Einführung von Betriebsszenarien kann die Systemebene in die energetische Bilanzierung der Reaktionen einbezogen werden. Damit konnte gezeigt werden, dass die Speicherbetriebsweise einen großen Einfluss auf die Speicherperformance hat. So wurde beispielsweise die grundsätzliche Eignung thermischer Dissoziationsreaktionen zur Langzeitspeicherung thermischer Energie widerlegt. 2.) Durch die Erweiterung des Bilanzraums um reaktionsspezifische Kennzahlen, wie beispielsweise dem Umsatz, können reale Systemcharakteristika berücksichtigt werden. Anhand einer Parametervariation wurde dabei beispielsweise gezeigt, dass exergetisch optimale Reaktionsbedingungen der Systeme identifizierbar sind. Damit stellt diese Arbeit neben konkreten Systemvorschlägen für definierte Betriebsszenarien auch eine Methodik zur Identifizierung optimaler Speicherbetriebsweisen bereit.