TG/DSC Untersuchungen an neuen Materialien für Sorptionswärmespeicher

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1 TG/DSC Untersuchungen an neuen Materialien für Sorptionswärmespeicher Tagung des AK-Thermophysik, IWM-RWTH Aachen 09. März 2015 DI(FH) Daniel Lager, MSc Engineer - Energy Department - Sustainable Thermal Energy Systems AIT Austrian Institute of Technology GmbH Giefinggasse Vienna Austria daniel.lager@ait.ac.at 1

2 Inhalt Sorptionswärmespeicher Prinzip und Materialien TG/DSC Untersuchungen Equipment, Setup, Kalibrierung Materialien und Messablauf Ergebnisse und Auswertung Ausblick 2

3 Thermochemische Speicher - TCS Prinzip A + B AB + Wärme Laden: AB + Wärme A + B Speichern: A B Entladen: A + B AB + Wärme Vorteile: verlustfrei, reversibel, hohe Energiedichte, breiter Temperaturbereich Schwächen: komplexe Technologie (z.b. Reaktordesign) 3

4 Sorptionswärmespeicher Reversible Gas-Feststoffreaktion: z.b. Physisorption (Van-der-Waals- Kräfte) geringe Bindungskraft Gas: z.b Wassermolekül Exotherm Adsorption Desorption Endotherm Oberfläche poröser Festkörper: z.b. Zeolith, Silcagel, usw. 4

5 Sorptionswärmespeicher Komposite - Selective Water Sorbents (SWS) Yu. I. Aristov: New family of solid sorbents for adsorptive cooling: Material scientist approach; Journal of Engineering Thermophysics; June 2007, Volume 16, Issue 2, pp

6 Sorptionswärmespeicher Materialien Silica gel/h 2 O Kriterien: Physisorption Zeolite/H 2 O Aluminophosphate (AlPO)/H 2 O TG/DSC Energiedichte (kwh/m³, kwh/kg) und Speicherkapazität Benötigte Desorptionstemperatur MgCl 2 /H 2 O Reaktionskinetik Zyklenstabilität Chemische Reaktion MgSO 4 /H 2 O SrBr 2 /H 2 O ungiftig kostengünstig Kosten [$] / t: Komposite CaCl2-Zeolie/H 2 O MgSO4-Silica gel/h 2 O R.Z. Wang: Sorption Thermal Energy Storage: Concept, Progress and Prospects; ISHPC 2014,

7 TG/DSC Untersuchungen Setup NETZSCH STA 449 F1 Waage: Wägebereich 5g Ofen: Stahl (-150 bis 1000 C) mit Kühlwendel für Flüssigstickstoffkühlung DSC Sensor: Typ K bzw. Typ E Proumid MHG32 Feuchtegenerator Bruker Tensor 27 FT-IR Gasanalyse Quelle: ProUmid Quelle: NETZSCH 7

8 TG/DSC Untersuchungen Setup und Empfindlichkeitskalibrierung Gasspülung: N 2 99,999%; Tiegelsystem: Pt-Rh ohne Deckel Empfindlichkeitskalibrierung mittels c p (T) Vergleichsmethode zu Saphir Referenzmaterial Kombinierte Messunsicherheit nach GUM; x 1, x 2,, x n sind die DSC Sensor Spannungen U T DSC, die Masse m ; c p T von Saphir und die Heizrate β. S T = V W S T = U T DSC Standard U(T) DSC Baseline m Standard c p (T) Standard β U T DSC = V [c p (T)] = β = K s m = kg J g K u c 2 = n i=1 S T x i 2 u xi 2 8

9 TG/DSC Untersuchungen Messablauf Probenmaterial bei Raumbedingungen in den Tiegel gefüllt und Bestimmung der Initialmasse Definition der Desorptionstemperatur, Feuchteangebot, Sorptionstemperaturen und Isothermphase 9

10 TG/DSC Untersuchungen Messergebnis Einzelmessung DSC /mw Temp. / C TG /% Zeolith Messung bei einem definiertenzeolith Partialdruck Feuchte 4A Köstrolith 7,5 g/kg Feuchte exo Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % 90 Massenänderung: % 100 Massenänderung: % Wert: 76.1 C Wert: 52.5 C 88 Wert: 33.8 C Fläche: mj 86 Fläche: mj 10 Fläche: mj ,5 g/kg : Nutzer: thermophysik Zeit /min ngb-taa Gerät : NETZSCH STA 449F1 STA449F1A-0022-M Datei : D:\NETZSCH\Proteus6\data\STA\Auftrags-Messungen\n ngb-ss1 Bemerkung : Pt offen (ohne Deckel) Projekt : Probe : Z4A_1, mg Probentr./TC : DSC/TG Cp K / K TG Korr/Messber : 700/5000 mg Proben-ID : n Material : Z4A_Köstrolith Modus /Messtyp : DSC-TG / Probe DSC Korr/Messber : 000/5000 µv Datum/Zeit : :57:10 Korrektur-Datei : Segmente : 1-15/15 Labor : AIT Tempkal./Empf. Datei : TCALZERO.TCX / 67-14_Pt-Pt_N2_Sens_0-600.ngb-es1 Tiegel : DSC/TG pan Pt-Rh 10

11 TG/DSC Untersuchungen Auswertung Zeolith Sorptionsisotherme Umrechnung der Wasseraufnahme bezogen auf das Probengewicht nach der Desorption ( Trockenmasse ) DSC /mw Temp. / C TG /% Zeolith 4A Köstrolith 7,5 g/kg Feuchte exo Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % 90 Massenänderung: % 100 Massenänderung: % Wert: 76.1 C Wert: 52.5 C 88 Wert: 33.8 C Fläche: mj 86 Fläche: mj 10 Fläche: mj ,5 g/kg : Nutzer: thermophysik Zeit /min ngb-taa Gerät : NETZSCH STA 449F1 STA449F1A-0022-M Datei : D:\NETZSCH\Proteus6\data\STA\Auftrags-Messungen\n ngb-ss1 Bemerkung : Pt offen (ohne Deckel) Projekt : Probe : Z4A_1, mg Probentr./TC : DSC/TG Cp K / K TG Korr/Messber : 700/5000 mg Proben-ID : n Material : Z4A_Köstrolith Modus /Messtyp : DSC-TG / Probe DSC Korr/Messber : 000/5000 µv Datum/Zeit : :57:10 Korrektur-Datei : Segmente : 1-15/15 Labor : AIT Tempkal./Empf. Datei : TCALZERO.TCX / 67-14_Pt-Pt_N2_Sens_0-600.ngb-es1 Tiegel : DSC/TG pan Pt-Rh Operator : DL Bereich : 25 C C/ K/min Atmosphäre : N2 / -- / N2 Erzeugt mit NETZSCH Proteus Software 11

12 TG/DSC Untersuchungen Auswertung Zeitintegral der DSCWärmestrom Kurve im Sorptionsbereich Sorptionswärme bezogen auf die Trockenmasse Zeolith Sorptionswärme DSC /mw Temp. / C TG /% Zeolith 4A Köstrolith 7,5 g/kg Feuchte exo Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % Massenänderung: % 90 Massenänderung: % 100 Massenänderung: % Wert: 76.1 C Wert: 52.5 C 88 Wert: 33.8 C Fläche: mj 86 Fläche: mj 10 Fläche: mj ,5 g/kg : Nutzer: thermophysik Zeit /min ngb-taa Gerät : NETZSCH STA 449F1 STA449F1A-0022-M Datei : D:\NETZSCH\Proteus6\data\STA\Auftrags-Messungen\n ngb-ss1 Bemerkung : Pt offen (ohne Deckel) Projekt : Probe : Z4A_1, mg Probentr./TC : DSC/TG Cp K / K TG Korr/Messber : 700/5000 mg Proben-ID : n Material : Z4A_Köstrolith Modus /Messtyp : DSC-TG / Probe DSC Korr/Messber : 000/5000 µv Datum/Zeit : :57:10 Korrektur-Datei : Segmente : 1-15/15 Labor : AIT Tempkal./Empf. Datei : TCALZERO.TCX / 67-14_Pt-Pt_N2_Sens_0-600.ngb-es1 Tiegel : DSC/TG pan Pt-Rh Operator : DL Bereich : 25 C C/ K/min Atmosphäre : N2 / -- / N2 Erzeugt mit NETZSCH Proteus Software 12

13 TG/DSC Untersuchungen Auswertung Sorptionstemperatur 34 C 13

14 Ausblick Weitere TG/DSC Sorptionsmessungen an unterschiedlichen porösen Strukturen (Zeolith, Silicagel und MOF) und Kompositen mit Wasserdampf als Sorbtiv Zyklen- bzw. Alterungsmessungen mit Hilfe der TG/DSC Methode. Vergleich der Wasseraufnahme und Sorptionswärme nach mehreren Zyklen Vergleich der Materialien hinsichtlich Sorptionswärme und Kinetik Weitere Gas-Feststoff Reaktionen (z.b. mit CO 2 oder O 2 ) Beschreibung der Reaktionskinetik mit Hilfe reaktionskinetischer Modelle aus TG/DSC Messungen Untersuchungen über das Verhalten des Materials in der Schüttung 14

15 Danksagung Teile der präsentierten Arbeiten wurden durch Förderungen des österreichischen Klima und Energiefonds und durch die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG im Programm Neue Energien 2020 durch das Projekt Verlustfreie Solarspeicher mittels thermochemischer Granular-Flow-Materialien (FlowTCS) finanziell unterstützt. 15

16 AIT Austrian Institute of Technology your ingenious partner DI(FH) Daniel Lager, MSc Engineer - Energy Department - Sustainable Thermal Energy Systems AIT Austrian Institute of Technology GmbH Giefinggasse Vienna Austria daniel.lager@ait.ac.at