Vorstellung meiner Diplomarbeit. Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen

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1 Vorstellung meiner Diplomarbeit Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Nico Ramm Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 2 Gliederung 1. Warum brauchen wir Wärmespeicher? 2. Prinzip der thermochemischen Energiespeicherung 3. Ansatz des bewegten Reaktionsbettes 4. Reaktordesign & Pulverbewegung 5. Experimentelle Untersuchung 6. Die selbstentwickelte Austragseinheit 7. Ausblick 1

2 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 3 Motivation steigender Energiebedarf schwindende fossile Energiequellen vermehrte Freisetzung von Treibhausgasen Verschärfung der Klimaerwärmung Desertec(2013) EJ (1EJ=278TWh) Weltenergieverbrauch Greenpeace (2013) IEA (2012) Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 4 Wärmespeicher sind notwendig für Bevorratung & Grundlastfähigkeit regenerativer Energie Nutzung von Prozessabwärme Effizienzsteigerung industrieller Prozesse Energieflüsse eines Parabolrinnenkraftwerkes DLR (2013) Solar Millenium (2012) 2

3 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 5 Physikalische Prinzipien der Wärmespeicherung Entwicklungsstand sensibel DLR latent Ja-Pics chemisch Potential Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 6 Chemische Wärmespeicherung Selbstkühlendes Bierfass Tucher 3

4 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 7 Chemische Wärmespeicherung Untersuchtes Reaktionssystem: Ca(OH) 2 (s) + H R CaO (s) + H 2 O (g) Kalkpulver optimaler Temperaturbereich zyklenstabil(keine Alterung) hohe Reaktionsenthalpie & -kinetik gefahrlos (Naturstoff) kostengünstig (Kalk aus Bauindustrie) Chemische Wärmepumpe Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 8 Entkopplung von Leistung und Kapazität Laborreaktor mit bewegtem Reaktionsbett -Speicherentladung Speicherbeladung - 4

5 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 9 Ziel der Arbeit wirtschaftlicher Reaktorentwurf Realisierung des bewegten Reaktionsbettes homogener Massenfluss Herausforderungen des Schüttgutes kohäsives Pulver schlechte Fließfähigkeit geringe Wärmeleitfähigkeit Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 10 Reaktordesign H 2 O H 2 O Ca(OH) 2 Roßkopf, C. (2012) 400 mm Schwerkraftfluss Modularisierung Wärmeübergang Reaktionsgas Spaltbreite H 2 O 20 5

6 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 11 Förderung des Speichermaterials gleichmäßige Zu- und Abfuhr des Reaktionsmaterials Gasbarriere Vorwärmung Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 12 Teststandumgebung 6

7 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 13 Teststandumgebung Zuführende Feindosiereinheit Neuartiger Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett Bestandsreaktor Druckhalter Austragshilfe Abführende Feindosiereinheit Lufterhitzer Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 14 Betrieb der Förderschnecken Kanalströmung 7

8 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 15 Aufwand Optimierung der Fördereinheiten Modifikation Mischpaddel Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Dauerhafte Vibration Einbau Schneckentrog Inaktive Mischpaddel Erfolgspotential Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 16 Gestaltung einer Austragshilfe Identifizierte Möglichkeiten: a) Schlitzschieber Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) 8

9 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 17 Gestaltung einer Austragshilfe Zahnwelle Identifizierte Herausforderungen Möglichkeiten: a) Schlitzschieber Temperaturbeständigkeit b) Zellenradschleuse Wasserdampfatmosphäre Gasdichtigkeit Vollwelle Kammerwelle Zahnwelle Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 18 Gestaltung einer Austragshilfe Herausforderungen: Temperaturbeständigkeit Wasserdampfatmosphäre Gasdichtheit Keramisches Loslager Keramisches Festlager Stopfbuchssitz Sechszellige Zahnwelle Stopfbuchsbrille 9

10 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 19 Fazit Reaktorgeometrie endgültig festgelegt Teststand errichtet Feindosiereinheiten erprobt Austragshilfe konstruiert homogenen Massenfluss bei Umgebungstemperatur erzielt Vorbereitungen für Heißversuche abgeschlossen Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 10

11 Backup Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 22 Notwendigkeit (thermischer) Energiespeicher Erzeuger DLR (2013) Wärmespeicher sind notwendig für Bevorratung Solarstrahlung im Jahr regenerativer 2012 (Deutschland) Energie Private Wetterstation Graz-Straßgang (2013) Nutzung von Prozessabwärme Effizienzsteigerung industrieller Prozesse Speichersee Energiesee Energiesee Netzfrequenz Nutzer 11

12 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 23 Physikalische Prinzipien der Wärmespeicherung Entwicklungsstand sensibel DLR Speicherart sensibel (Keramikschüttung, T = 500K) latent (Umwandlung fest flüssig) sorptiv chemisch Theoretische Speicherdichte kwh/m³ kwh/m³ kwh/m³ kwh/m³ Schaube (2012) latent Ja-Pics chemisch Potential Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 24 Chemische Wärmespeicherung Kalkpulver Untersuchtes Reaktionssystem: Ca(OH) 2 (s) + H R CaO (s) + H 2 O (g) optimaler Temperaturbereich für Dampfkreisläufe zyklenstabil(keine Alterung) hohe Reaktionsenthalpie & ausreichende Reaktionskinetik gefahrloser Umgang (Naturstoff) kostengünstige Ausgangsstoffe (Kalk aus Bauindustrie) Möglichkeit der Wärmetransformation 12

13 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 25 Chemische Wärmespeicherung Untersuchtes Reaktionssystem: Ca(OH) 2 (s) + H R CaO (s) + H 2 O (g) Calciumoxid.net optimaler Temperaturbereich für Dampfkreisläufe zyklenstabil hohe Reaktionsenthalpie gefahrloser Umgang kostengünstige Ausgangsstoffe Be- und Entladetemperaturüber Reaktionsdruck beeinflussbar Wärmetransformation Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 26 Entkopplung von Leistung und Kapazität /Vom ruhenden zum bewegten Reaktionsbett Laborreaktor mit Festbett bewegtem Reaktionsbett Kapazität des thermochemischen Speichers Entladung: CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + H Temperatur Wärmeträgerfluid Ca(OH) Reaktion 2 2 Reaktion Reaktion CaO CaO Leistung des thermochemischen Speicher Entkoppelung Länge von Kapazität des Festbettreaktors und Leistung sinnvoll 13

14 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 27 Entkopplung von Leistung und Kapazität Festbettreaktor Kapazität des Speichers Länge des Festbettreaktors Leistung des Speichers DLR Entkopplung von Leistung und Kapazität sinnvoll Temperatur Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 28 Entkopplung von Leistung und Kapazität /Vom ruhenden zum bewegten Reaktionsbett Laborreaktor Festbettreaktor mit bewegtem Reaktionsbett Kapazität des Speichers Wärmeträgerfluid Wärmeträgerfluid Länge des Festbettreaktors Leistung des Speichers DLR Entkoppelung von Kapazität und Leistung sinnvoll Temperatur 14

15 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 29 Zur vorhergehenden Folie Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 30 Reaktordesign Ca(OH) 2 H 2 O H 2 O Roßkopf, C. (2012) 400 mm Ein- und Austritt des pulverförmigen Speichermaterials Schwerkraftfluss Modularisierung Wärmeübergang Reaktionsgas Spaltbreite Bohrungen für Thermoelemente Ein- und Austritt des Reaktionspartners Wasserdampf H 2 O 20 Wärmeübertragende Stegplatte 15

16 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 31 Förderung des Speichermaterials Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 32 Teststandumgebung 16

17 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 33 Teststandumgebung Neuartiger Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett Zuführende Feindosiereinheit Bestandsreaktor Druckhalter Austragshilfe Abführende Feindosiereinheit Lufterhitzer Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 34 Betrieb der Fördereinheiten Kalibriermessungen der Feindosiereinheiten 1600 Massenstrom in g/h Betriebsfrequenz in Hz Obere Fördereinheit Untere Fördereinheit Linearisierung des Massenstromes der oberen Fördereinheit Linearisierung des Massenstromes der unteren Fördereinheit 17

18 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 35 Optimierung der Fördereinheiten a) Inaktive Mischpaddel b) Verjüngender Einbau im Schneckentrog Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 36 Optimierung der Fördereinheiten a) Inaktive Mischpaddel b) Verjüngender Einbau im Schneckentrog c) Dauerhafte Vibrationen d) Modifizierte Mischpaddel 18

19 Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 37 Gestaltung einer Austragshilfe Kammerwelle Zahnwelle Identifizierte Möglichkeiten: a) Rotationsklappe b) Schlitzschieber c) Zellenradschleuse glatte Welle Kammerwelle Keramisches Loslager Keramisches Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Festlager Stopfbuchssitz Zahnwelle Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Springer: Schulze Pulver und Schüttgüter (2009) Sechszellige Zahnwelle Stopfbuchsbrille Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 38 Gestaltung einer Austragshilfe Kammerwelle Zahnwelle Keramisches Loslager Keramisches Festlager Stopfbuchssitz Sechszellige Zahnwelle Stopfbuchsbrille 19

20 Folie 39 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Teststände Indirektes System Ruhendes Bett Technikumsreaktor in Köln-Porz Masse Ca(OH) 2 ~ 22 kg Leistung bis zu 10 kw Kapazität ~ 8,2 kwh Folie 40 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Bewegtes Reaktionsbett - Auslegung des Reaktor für benötigte Leistung - Kapazität abhängig von Vorratsbehältnis Geringere Anlagenkosten Geringere Betriebskosten - Regelung der Leistung über Durchsatz im Reaktor CaO Reaktor Höhere Variabilität Ca(OH) 2 20

21 Folie 41 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Unterscheidung Direktes/indirektes System CaO CaO H 2 O H 2 O + N 2 N 2 H 2 O N 2 H 2 O + N 2 H 2 O Entladung Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 Folie 42 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Problematik Ungünstige Reaktionsbetteigenschaften CaO - Geringe Wärmeleitfähigkeit: λ 0,1 - Schlechte Schüttguteigenschaften: φ e 60 - Agglomeration des Pulvers nach bereits einem Zyklus H 2 O H 2 O H 2 O Ca(OH) 2 21

22 Slide 43 > Euromat 2013 > Christian Roßkopf Modification of Fine-Grained Powder to Facilitate a Moving Reaction Bed for Thermochemical Energy Storage > 8th to 13th September 2013 Conclusion& Outlook - ThermochemicalHeat storage based on Ca(OH)2 demands a flow-through - Improvementof Ca(OH) 2 flowability by adding nano particlesat ambient conditions - Homogeneous flow through thermochemical reactor at room temperature achieved - Cycling stability is proven over 10 cycles in lab-scale reactor Next step: Investigation of flowability at simultaneousreactionin moving bed for thermochemical heat storage Folie 44 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Problematik Ungünstige Reaktionsbetteigenschaften CaO - Geringe Wärmeleitfähigkeit:λ 0,1 - Schlechte Schüttguteigenschaften:φ e 60 H 2 O + N 2 N 2 - Agglomeration des Pulvers nach bereits einem Zyklus N 2 H 2 O + N 2 - Niedrige Permeabilität: K Ca(OH) 2 22

23 Folie 45 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Funktionsweise von Aerosil - Herabsetzen der adhäsiven Kräfte durch Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit Quelle: Rumpf, Folie 46 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Verbesserung der Fließeigenschaften Ca(OH) 2 pur ca. 45 Ca(OH) 2 mit 10 w% Aerosil ca

24 Folie 47 > TT-Kolloquium > Christian Roßkopf Entwicklung eines bewegten Reaktionsbetts für thermochemische Energiespeicher > Auswirkung auf Wanderbett Fließindex und Schüttwinkel Hauptindikatoren für Fließfähigkeit! ca. 45 ca Unconfined Failure Strengh / N/m ff = ff = 1 ff = ff = ff = Major PrincipalConcolidationStress / N/m Nico Ramm Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes mit bewegtem Reaktionsbett zur thermochemischen Wärmespeicherung Folie 48 xxx 24