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Stofflicher Speicher
BMBF
Lithiumverbrennung 30.9.2015

Lithium-Reaktor zur Untersuchung der gasförmigen und festen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung von zerstäubtem, flüssigem Lithium in Luft-, Stickstoff- und Kohlendioxidatmosphäre.
© Siemens AG

Lithium – die erneuerbare Kohle

Lithium lässt sich in einem Kreislauf aus elektrochemischer Erzeugung

mit überschüssigem Strom und bedarfsorientierter Verbrennung in einem

kraftwerkskompatiblen Prozess als stofflicher Stromspeicher einsetzen.

Im Projekt „LiKohle“ untersuchen und bewerten Forscher die möglichen

Reaktionsprozesse, beispielsweise unter Kohlendioxid- oder

Stickstoffatmosphäre. Als Nebenprodukt der Energiewandlung können

wertvolle chemische Grundstoffe erzeugt werden.

Projektstatus Projekt beendet
Projektlaufzeit Juni 2012 bis September 2015

Das Potenzial der Nutzung von Lithium zur Energiespeicherung ist bis zum jetzigen Zeitpunkt, mit Ausnahme der Batterietechnik, nicht erforscht. Elektropositive Metalle könnten, wie oben erläutert, die Möglichkeit eines großtechnisch relevanten, leicht transportablen, stofflichen Energiespeichers bieten. Die Grundlagen zu der Verbrennungsreaktion und Konzepte zum Recycling der festen Abbrandprodukte, werden im Projektkonsortium untersucht. Die Projektpartner stellen sich zusammen aus: Siemens AG, als Konsortialführer und Industriepartner, der Forschungsgruppe der Ruhr-Universität Bochum um Professor Scherer (Spezialisten in der Untersuchung von Verbrennungsprozessen) und der Forschungsgruppe der Professoren Katharina Kohse-Höinghaus und Andreas Brockhinke (Universität Bielefeld) mit einer langjährigen Erfahrung in der Analyse der chemischen Struktur und Reaktionsmechanismen in Flammen.

  • Schematischer Versuchsaufbau des Fallrohrreaktors zur Analyse der Lithium-Einzelpartikelverbrennung: Dabei werden im Gaserhitzer Reingas- oder Mischatmosphärenströme auf bis zu 600°C erwärmt und anschließend in ein Quarzglasrohr umgelenkt. Gleichzeitig werden einzelne Lithiumpartikel (50-250 µm) über einen Injektor von oben in das Glasrohr eingebracht. Dort treffen sie auf das heiße Gas, zünden und verbrennen. Die Reaktion mit dem Heißgas im optisch durchlässigen Quarzglasrohr wird mit Hilfe eines Zwei-Farben-Pyrometers charakterisiert, wobei gleichzeitig Partikeltemperaturen und -größen gemessen werden. Zudem werden Feststoffproben der ausgebrannten Partikel entnommen und über Röntgendiffraktometrie analysiert. © Ruhr-Universität Bochum
  • Foto einer in einem Quarzglassrohr brennenden Lithiumpartikelsträhne. Die Lithiumpartikel brennen in einer ca.  1200 K heißen Mischabgasatmosphäre einer Methanflamme, deren blaues Leuchten am oberen Bildrand zu erkennen ist. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Temperaturen der brennenden Partikel wesentlich höher sind und im Bereich über 2000 K liegen. © Ruhr-Universität Bochum
  • Lithium-Flamme bei der Zerstäubung von Lithium (Lithium-Durchsatz durch die Düse 1 g/s, Partikeldurchmesser 100 µm mit einer engen Partikelverteilung) in Luftatmosphäre (Tg = 450°C). © Siemens AG
  • Lithium-Reaktor zur Untersuchung der gasförmigen und festen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung von zerstäubtem, flüssigem Lithium in Luft-, Stickstoff- und Kohlendioxidatmosphäre. © Siemens AG
  • Verbrennung von flüssigem Lithium an Luft in einem Niederdruckreaktor zur Lithium-Flammuntersuchung. © Universität Bielefeld
  • Energie und Stoffkreislauf auf der Basis von Lithium als hochdichten, stofflichen Energiespeicher mit Darstellung zweier Möglichkeiten der Entladung: (a) Verbrennung in Kohlendioxid Atmosphäre (vergleichbares thermisches Niveau mit der Verbrennung fossiler Brennstoffen in Sauerstoff) und einem wertvollen Reaktionsprodukt (Kohlenmonoxid, welches mit Wasserstoff zu fossilem Treibstoff umgesetzt werden kann); (b) Verbrennung mit Stickstoff (vergleichbares thermisches Niveau wie die Verbrennung fossiler Brennstoffen in Sauerstoff) und Lithiumnitrid als festen Reaktionsprodukt, welches durch Hydrolyse einen energieeffizienten Zugang zu Ammoniak bietet. © Siemens AG

Das Projekt setzt sich die Untersuchung und Bewertung des möglichen Einsatzes elektropositiver Metalle, im Speziellen Lithium, als stofflicher Energiespeicher als Ziel. Dabei soll Lithium elektrochemisch, unter Einsatz der Überproduktion an erneuerbarem Strom hergestellt werden, und damit diese regenerative Energie chemisch speichern. Die Möglichkeit der Energieabgabe bzw. -umwandlung, als Verbrennung von Lithium in einem kraftwerkskompatiblem Prozess in Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) Atmosphäre soll dabei untersucht werden. Wegen seiner Position in der elektrochemischen Spannungsreihe, ermöglicht die Verbrennung von Lithium in CO2 und N2 nicht nur die Freisetzung thermischer Energie auf kraftwerksrelevantem Niveau, sondern auch den energieeffizienten Zugang zu wertvollen Stoffen (und gleichzeitig weiteren Energiespeichern) wie Kohlenmonoxid, Methanol oder Ammoniak. Diese sind entweder direkte Reaktionsprodukte (Kohlenmonoxid (CO)) bei der Verbrennung in CO2) oder können ohne weitere Energiezufuhr erhalten werden (Verbrennung in N2: Lithiumnitrid reagiert exotherm mit Wasser zu Ammoniak).

Forschungsschwerpunkte

  • Untersuchung der Reaktionsmechanismen und Reaktionskinetik der exothermen Reaktion von Lithium mit Kohlendioxid, Stickstoff und Gasgemischen
  • Untersuchung der Verbrennungsparameter (Zündverhalten, Partikeltemperatur, Flammtemperatur)
  • Untersuchung der Reaktionsprodukten in Abhängigkeit der Verbrennungsparameter
  • Untersucht elektropositive Metalle (Lithium) als Ergänzung zu den stofflichen Energiespeichern

Projektverlauf

Im derzeitigen ersten Projektjahr werden Versuchsanordnungen zur Verbrennung von Lithium (Einzelpartikel, Lithium Zerstäubung, Niederdruckreaktoren) ausgelegt und aufgebaut. Verbrennungsablagen für elektropositve Metalle zur Energieumwandlung und die grundsätzliche Nutzung dessen in einem kraftwerksrelevanten Prozess sind bis jetzt nicht untersucht worden. Für die Untersuchung der Verbrennung von Lithium mit Kohlendioxid und Stickstoff sind deswegen geeignete Versuchsanlagen zu konzipieren und aufzubauen. Die Konzeption wird über Teilexperimente zur Bestimmung der relevanten Lithiumstoffeigenschaften und durch numerische Untersuchungen realisiert. Im zweiten und dritten Projektjahr werden die Grundlagen der Lithiumverbrennung mit den aufgebauten Brennern in den genannten Gasen untersucht: Einzelpartikelreaktionen, Zündverhalten, Flamm- und Partikeltemperaturen, Reaktionskinetik und Reaktionsprodukte in Abhängigkeit der Reaktionsparameter. Aufbauend auf die im Projekt erarbeiteten Grundlagen werden begleitend zu den geplanten Experimenten, mögliche Umsetzungen des oben genannten Kreislaufes in einem technischen Verbrennungskonzept erarbeitet. Untersuchungen zu der Verfügbarkeit von Lithium, der ökologischen Bilanz, Gesamteffizienz des Speicherkonzepts vervollständigen die Grundlagenbewertung.

Der erste Meilenstein (Brenner für flüssigem Lithium ausgelegt und aufgebaut) wurde erfolgreich erreicht. Die Forscher sind sich sicher innerhalb von 18 Monaten den zweiten Meilenstein „Brenner und Injektor für Verbrennungsversuche mit flüssigem Lithium in Kohlendioxid und Stickstoff betriebsbereit“ planmäßig zu erreichen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

23. Oktober 2017
E-Mobility Power System Integration Symposium

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

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Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.