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Thermischer Speicher
BMWi
Chemischer Wärmespeicher 12.4.2017

Untersuchungen zu den Fließeigenschaften von Kalkhydrat-Granulat: Am Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik der Universität Siegen wird untersucht, wie sich ein Granulat transportieren lässt. Der sogenannte Schüttgutwinkel gibt Aufschluss über die Fließeigenschaften des Materials: Je steiler der Winkel, desto schwieriger ist die Bewegung.
© DLR

Wärme speichern in Kalk - effizienter durch Bewegung

Wissenschaftler des DLR erproben im Projekt BERTI die chemische Wärmespeicherung mit Calziumoxid. Die Laboranlage der Stuttgarter Forscher verfügt als Besonderheit über ein wanderndes Reaktionsbett. Dadurch können die Wärmekapazität des Speichers und seine Wärmeleistung unabhängig voneinander ausgelegt werden.

Projektstatus Modell zur Partikelbewegung
Temperaturtyp Hochtemperaturspeicher
Speicherung/Ladung direkt oder indirekt
Ladetemperaturbereich 400-600 °C
Entladetemperaturbereich 400-600 °C
Speicherkapazität variabel
Energiespeicherdichte 250 kWh/m³, 370 kWh/t
Projektlaufzeit Oktober 2013 bis Dezember 2017

Das als Branntkalk bekannte Calziumoxid (CaO) reagiert mit Wasserdampf unter starker Wärmeabgabe. Dabei entsteht Calciumhydroxyd Ca(OH)2. Erhitzt man diesen „gelöschten Kalk“ auf hohe Temperaturen trennt sich das Wasser wieder ab. Dieser Prozess der Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme ist beliebig oft wiederholbar. Branntkalk und Löschkalk sind als Grundstoffe der Bauindustrie gut verfügbar und billig. Sie sind außerdem in vielen Einsatzbereichen bekannt und erprobt.

  • Unbewegter thermochemischer Wärmespeicher im Technikumsmaßstab: Im Rahmen des BMWi-Projekts CWS wurde am DLR in Köln ein thermochemischer Wärmespeicher  im Technikumsmaßstab aufgebaut. Wie in BERTI wurde auch in CWS Ca(OH)2/CaO als Referenzsystem untersucht. Der Reaktor hat eine thermische Leistung von bis zu 10 kW und eine Kapazität von 8 kWh chemisch gespeicherter Energie (entspricht ca. 22 kg Ca(OH)2). Diese Kapazität soll nun im Rahmen von BERTI erweitert werden, indem ein Reaktor entwickelt wird, durch den das Speichermaterial hindurchbewegt wird. Der BERTI-Reaktor wird allerdings ein Laborreaktor mit geringer Leistung sein, da zuerst das Konzept entwickelt werden. © DLR
  • Fließbettwärmetauscher © Bühler AG
  • Vertical Moving Bed Reactor: Beispiele von Bewegtbettreaktoren für Schüttgüter im Industriemaßstab wie sie vom Projektpartner Bühler AG gefertigt werden. So ähnlich könnte ein thermochemischer Speicher mit bewegtem Reaktionsbett in Zukunft aussehen. © Bühler AG
  • REM-Aufnahme von Ca(OH)2 in Ton: Um eine Bewegung des Speichermaterials zu ermöglichen soll das Ausgangsmaterial modifiziert werden. Der in BERTI verfolgte Ansatz ist die Herstellung stabiler Partikel mit einer Partikelgröße von > 0,2 mm, da sich kleinere Partikel aufgrund der starken Anziehung (Kohäsion) zwischen den einzelnen Partikeln schlecht bewegen lassen. Eine Möglichkeit, große Partikel zu bekommen ist das Einbringen des Speichermaterials in einer porösen Tonmatrix. Wie ein Teig werden Calciumcarbonat und Ton miteinander vermischt und anschließend ausgebrannt. Zurück bleibt gebrannter Ton mit Calciumoxid. Die Partikelgröße dieses Materials kann dann auf einem Granulierteller eingestellt werden. © BWC, Universität Siegen
  • Kaltversuche zur Bewegung der Schüttung: Am DLR werden Untersuchungen zur Bewegung des Speichermaterials durchgeführt. Da es sich bei dem Ausgangsmaterial um ein sehr feines Pulver handelt, ist die Bewegung der Schüttung eine Herausforderung. Dieses Problem wird noch verstärkt durch die Tatsache, dass aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Materials der Abstand zur Wärmeübertragerfläche gering sein muss. Im Bild ist ein Kaltmodell eines Plattenwärmeübertragers mit 2 cm Plattenabstand zu sehen. 2 cm sind beim unveränderten Material der maximale Abstand, bei dem die Wärmeleitung in das Reaktionsmaterial hinein und hinaus noch ausreichend gut ist. Durch eine Förderschnecke wird das Pulver von oben in den Reaktor transportiert, durch den es dann gravitationsgetrieben hindurchwandert und unten durch eine zweite Förderschnecke wieder abtransportiert wird. © DLR
  • Volumenänderung bei der Reaktion von CaO zu Ca(OH)2: Am Institut für Bau- und Werkstoffchemie der Universität Siegen wird weiter an der Herstellung stabiler großer Partikel gearbeitet. Eine große Herausforderung stellt dabei die Volumenänderung des Speichermaterials aufgrund der chemischen Reaktion dar. Wird z.B. Ton als Trägermatrix verwendet, zerbricht dieser leicht während der Reaktion, da die CaO-Kristalle ungerichtet wachsen und dabei den Ton mechanisch belasten. © DLR
  • Granulat vor und nach Fluidisierung: Die Bewegung des Speichermaterials stellt ebenfalls eine mechanische Belastung dar. Das Bild zeigt ein Ton-CaO-Granulat vor der Fluidisierung in einer Wirbelschicht. Die starke Bewegung führt zu Abrasion und damit zu einer starken Verkleinerung der Partikelgröße. © DLR
  • Granulat vor und nach Fluidisierung: Die Bewegung des Speichermaterials stellt ebenfalls eine mechanische Belastung dar. Das Bild zeigt ein Ton-CaO-Granulat vor der Fluidisierung in einer Wirbelschicht. Die starke Bewegung führt zu Abrasion und damit zu einer starken Verkleinerung der Partikelgröße. © DLR
  • Untersuchungen zu den Fließeigenschaften von Kalkhydrat-Granulat: Es kann auch getestet werden, ob sich das Material pneumatisch durch ein Rohr fördern lässt. Die Fließeigenschaften des Speichermaterials haben großen Einfluss sowohl auf die möglichen Geometrien des Reaktors als auch auf den Transport und die Lagerung des Speichermaterials. © DLR
  • Untersuchungen zu den Fließeigenschaften von Kalkhydrat-Granulat: Am Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik der Universität Siegen wird untersucht, wie sich ein Granulat transportieren lässt. Der sogenannte Schüttgutwinkel gibt Aufschluss über die Fließeigenschaften des Materials: Je steiler der Winkel, desto schwieriger ist die Bewegung. © DLR

Kölner Forscher des DLR untersuchten das Reaktionssystem Ca(OH)2/CaO bereits an einer Anlage im Technikumsmaßstab. Die CWS-Testanlage (Chemische Wärmespeicherung mittels reversibler Gas- und Feststoffreaktionen) arbeitet jedoch mit einem nicht bewegten Reaktionsbett. Mit BERTI "Bewegtes Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung“ entwickeln die Forscher ein Leitkonzept für thermochemische Wärmespeicher mit bewegtem Reaktionsbett und demonstrieren es im Labormaßstab.

Wärmeleistung von der Speichergröße entkoppeln

Ziel der Forscher ist es, zwei Vorteile der thermochemischen Speicherung zu bestätigen und zu demonstrieren:

  • Die Reaktionspartner können getrennt und damit verlustfrei gelagert werden.
  • Durch die getrennte Bevorratung und Zuführung des Feststoffs zum Reaktor kann die Kapazität von der thermischen Leistung des Speichers getrennt werden.

Der Kern des Projekts umfasst die Bewegung eines Speichermaterials und die Entwicklung einer effizienten Prozess- und Reaktionsführung. Beide Fragestellungen sind sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technologischer Sicht neu.

Um eine effiziente Betriebsweise eines thermochemischen Speichers mit bewegtem Reaktionsbett zu ermöglichen, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen der Material- und der Ingenieurwissenschaft notwendig. Zu Beginn des Vorhabens wird ein Reaktorkonzept spezifiziert, das die Grundlage für den weiteren Projektverlauf bildet. Im Folgenden werden dann parallel die drei wesentlichen Fragestellungen für ein bewegtes Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung zielgerichtet bearbeitet: Materialentwicklung, Bewegung der Schüttung und Reaktionsführung. Den Abschluss bildet der Funktionsnachweis im Labormaßstab.

Verlustfrei speichern

Die thermochemischen Wärmespeicher speichern Wärme nahezu verlustfrei und beliebig lange. Durch die Variation der Reaktionsbedingungen ist es möglich die Wärme thermisch aufzuwerten. Beide Punkte bieten insbesondere auf dem Gebiet der Effizienzsteigerung, d.h. im Bereich optimierter Prozessführung, zusätzliche Freiheitsgrade. Der Kern des Projekts umfasst die Bewegung eines Speichermaterials für thermochemische Wärmespeicher und die Entwicklung einer effizienten Prozess- und Reaktionsführung. Beide Fragestellungen sind sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technologischer Sicht neu.

Speicher erschließt neue Anwendungsfelder

Das Verfahren erschließt neue Anwendungsfelder auf dem Gebiet der Wärmespeicherung mit integrierter Wärmetransformation. Verlustwärmeströme können gebündelt und konzentriert freigesetzt werden. Sogar der verlustfreie Transport von Wärme ist machbar. Eine Schlüsselrolle spielt hierbei die Möglichkeit zur Feststoffbewegung: Das pulverförmige Speichermaterial wird dabei aus einem Speicherbehälter z.B. über Förderschnecken in den Reaktor transportiert, durch den es entweder schwerkraftgetrieben „hindurchwandert“ oder aktiv (z.B. mechanisch mit Schaufeln) hindurchbewegt wird. Nach der Reaktion wird es wieder in einen Speicherbehälter transportiert, wo es bis zur nächsten Verwendung verbleibt.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

5. Juli 2017
Thermische Energiespeicher

11. Juli 2017
Intersolar North America

22. August 2017
Intersolar South America

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

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