A moving bed reactor for thermochemical energy storage based on metal oxides applied for concentrated solar power plants

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Wärmeauskopplung aus einem Metalloxidpartikelstrom untersucht, im Hinblick auf eine Anwendung der Metalloxide als thermochemisches Energiespeichermaterial in einem punktfokussierenden solarthermischen Kraftwerk. Der Schwerpunkt liegt auf der kombinierten Nutzung der thermischen und thermochemischen Energie der Metalloxide, aufgrund des hohen Temperaturniveaus von ca. 1000 °C am Partikeleintritt. Die Eignung eines Wanderbettreaktors in Gegenstromprinzip für die direkte Wärmeübertragung zwischen Metalloxidpartikelstrom und Gasstrom wird experimentell und numerisch analysiert. Dabei dient Manganeisenoxid ((Mn0.7Fe0.3)2O3) wegen seiner chemischen Zyklenfestigkeit und geeigneten Reaktionstemperatur als Referenzmaterial. Aufgrund der bekannten Neigung zur Agglomeratbildung nach mehreren Redoxzyklen, wird zunächst die Wirkung einer Modifikation des Manganeisenoxides mit jeweils 20 % ZrO2, CeO2 oder TiO2 auf die Partikelstabilität und chemischen Reaktivität experimentell untersucht. Um den Einsatz in einem Wanderbettreaktor zu ermöglichen wird ZrO2 als geeignetes Additiv identifiziert, da hiermit die Agglomerationsbildung stark eingeschränkt und die mechanische Stabilität verbessert werden kann. Die Wechselwirkung zwischen der temperatur- und druckabhängigen effektiven Reaktionsgeschwindigkeit und den Stoff- und Wärmetransportmechanismen wird numerisch mit einem 1D FEM Modell sowie experimentell im Maßstab von 2 kW für einen Wanderbettreaktor ermittelt. Beide Untersuchungen zeigen, dass die Oxidation eine nahezu isotherme Schicht im Wanderbett bewirkt, worauf ein Segment mit einem ausgeprägte Temperaturgradienten anschließt. Die numerische Analyse ergibt, dass der vorwiegende Anteil des Reaktionsumsatzes in dem Segment mit Temperaturgradient erfolgt. Allerdings hemmt dort bei geringeren Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit den Reaktionsumsatz und führt zu einer limitierten Energiedichte der Mn-Fe-Oxid Partikel sowie Leistungsdichte des Reaktors. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die untersuchte Betriebsweise mit dem eingesetzten Manganeisenoxid keine signifikanten Vorteile aufweist, da die Reaktionsgeschwindkeit keinen vollständigen Reaktionsumsatz unter leistungsoptimierten Bedingungen zulässt. Eine Möglichkeit zur Steigerung des Reaktionsumsatzes wäre, die Wärme während der Reaktion indirekt und isotherm abzuführen und für einen geeigneten Hochtemperaturprozess zur Verfügung zu stellen.