Salz/Zeolith-Komposite

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Walter Dresdner
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Salz/Zeolith-Kompositmaterialien für die thermochemische Wärmespeicherung Steffen Beckert Thomas Nonnen Roger Gläser Institut für Technische Chemie

1 Salz/Zeolith-Kompositmaterialien für die thermochemische Wärmespeicherung Steffen Beckert Thomas Nonnen Roger Gläser Institut für Technische Chemie Universität Leipzig 2. IEA-Tagung Kompakte thermische Energiespeicher Wien, 14. September 2016 Gliederung Thermochemische Speicherung Salz/Zeolith-Komposite Ausblick 2 1

2 Gliederung Thermochemische Speicherung Salz/Zeolith-Komposite Ausblick 3 Thermochemische Speicherung von Wärme A B + Q Entladen Laden A + (s) (s) B (g) Komposit Wasser + Salz/Zeolith Speicherung Adsorption Wasser + Zeolith Absorption Wasser + Salz kw h m -3 ~800 kw h m -3 (thermodynamisch) 4 2

3 Binderfreie Zeolithgranulate Na-X Kristalle: Sabatino et al. (2011) D. Sabatino, B. Di Sabatino, D. Gimeno, C. Pace, Clay Miner. 46 (2011) Gliederung Thermochemische Speicherung Salz/Zeolith-Komposite Ausblick 6 3

Wasserbeladungshub Wärmespeicherdichte / kwh m -3 / (g cm -3 ) Wärmespeicherdichte / (kw h m -3 ) 15.09.

trockene Luft (<0,1 g kg -1 ) Sorption: 30 ºC feuchte Luft (3 21 g kg -1 ) Wärmespeicherdichte (WSD) durch Ionenaustausch über gesamten

Nonnen, Salz/Zeolith-Komposite für die Sorptionswärmespeicherung, Dissertation, Universität Leipzig, Leipzig, 2016.

-% 300 200 100 Überschreiten der Deliqueszenzfeuchte (DRH) Zeit 0 5 10 15 20 Salzbeladung / Gew.

4 Wasserbeladungshub Wärmespeicherdichte / kwh m -3 / (g cm -3 ) Wärmespeicherdichte / (kw h m -3 ) Ionenaustausch an salzfreien Zeolithgranulaten Na-X Ca(90)-X Mg(46)-X Luftfeuchte / g kg -1 Desorption: T=110 ºC trockene Luft (<0,1 g kg -1 ) Sorption: 30 ºC feuchte Luft (3 21 g kg -1 ) Wärmespeicherdichte (WSD) durch Ionenaustausch über gesamten Luftfeuchtebereich konstant erhöht T. Nonnen, Salz/Zeolith-Komposite für die Sorptionswärmespeicherung, Dissertation, Universität Leipzig, Leipzig, CaCl 2 /Ca-X Komposite 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 Porenvolumen Inklusion 0, Salzbeladung / Gew.-% Überschreiten der Deliqueszenzfeuchte (DRH) Zeit Salzbeladung / Gew.-% Luftfeuchte: 3, 6, 9, 12, 15, 21 g kg -1 Dreiphasengleichgewicht (Inkludiertes Salz, Salzlösung, Wasserdampf) Ausbildung einer Salzlösung im Zeolithen oberhalb der Deliqueszenzfeuchte von CaCl 2 (ca. 6 g kg -1 ) T. Nonnen, S. Beckert, K. Gleichmann, A. Brandt, B. Unger, H. Kerskes, B. Mette, S. Bonk, T. Badenhop, F. Salg, R. Gläser, Chem. Eng. Technol. (2016) DOI: /ceat

5 Wasserbeladungshub / (g cm -3 ) Wärmespeicherdichte / (kwh m -3 ) MgSO 4 /Mg-X Komposite 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 Porenvolumen 0, Salzbeladung / Gew.-% Salzbeladung / Gew.-% Luftfeuchte: 3, 6, 9, 12, 15, 21 g kg -1 Deliqueszenzfeuchte von MgSO 4 : 24 g kg -1 keine Erhöhung des Wasserbeladungshubs (WBH) und der Wärmespeicherdichte (WSD) T. Nonnen, Salz/Zeolith-Komposite für die Sorptionswärmespeicherung, Dissertation, Universität Leipzig, Leipzig, Gliederung Thermochemische Speicherung Salz/Zeolith-Komposite Ausblick 10 5

Zusammenfassung und Ausblick Salz/Zeolith Komposite

Derzeitiger Stand Perspektiven Komposite Wasser +

und WSD verringert Verringerung der Inklusion

Na-Y) Mischsalze Absenkung DRH; Anpassung DRH an

Arbeitsfenster zu niedrigen Luftfeuchten T.

Unger, H. Kerskes, B. Mette, S. Bonk, T.

6 Zusammenfassung und Ausblick Salz/Zeolith Komposite Erhöhung der WSD um bis zu 60 %, meist hohe Luftfeuchten benötigt (> 15 g kg -1 ) Ionenaustausch Erhöhung der WSD um bis zu 50 % Derzeitiger Stand Perspektiven Komposite Wasser + Salt/Zeolith Inklusion Blockierung Mikroporen, WBH und WSD verringert Verringerung der Inklusion Beeinflussung des Donnan- Gleichgewichts (z. B. Na-Y) Mischsalze Absenkung DRH; Anpassung DRH an Anwendung Salze mit niedriger DRH Verschiebung Arbeitsfenster zu niedrigen Luftfeuchten T. Nonnen, S. Beckert, K. Gleichmann, A. Brandt, B. Unger, H. Kerskes, B. Mette, S. Bonk, T. Badenhop, F. Salg, R. Gläser, Chem. Eng. Technol. (2016) DOI: /ceat ; T. Nonnen, Salz/Zeolith- Komposite für die Sorptionswärmespeicherung, Dissertation, Universität Leipzig, Leipzig, Vielen Dank! 6

7 Anhang Projekt EnErChem (BMWi FKZ: 03ESP402A) Materialentwicklung Materialherstellung Entwicklung und Erprobung eines chemisch-sorptiven Langzeitwärmespeichers für die Gebäudebeheizung basierend auf optimierten, hoch effizienten und kostengünstigen Materialien sowie dessen Umsetzung in einer Pilotanlage. Reaktorentwicklung Systementwicklung 14 7

Pore Volume / (cm 3 cm -3 ) Thermische Leistung / W 15.09.

Λ = P P max Mittlere Leistung Spitzenleistung 4 3 2 1 Q int = 4,2 kj

0,46 P = 1,6 W 0 3 P max = 3,0 W 2 1 Q int = 4,5 kj Salz/Zeolith

Nonnen, Salz/Zeolith-Komposite für die Sorptionswärmespeicherung,

15 CaCl 2 and MgSO 4 Composites: SEM Ca-X 16CaCl 2 /Ca-X 0.

15 0.10 Mg-X 11MgSO 4 /Mg-X 18MgSO 4 /Mg-X 0 5 10 15 Salt Content / wt.

8 Pore Volume / (cm 3 cm -3 ) Thermische Leistung / W Thermische Leistung Key Performance Indicator Leistungsverhältnis Λ = P P max Mittlere Leistung Spitzenleistung Q int = 4,2 kj Spitzenleistung Salz-freier Zeolith mittlere Leistung P max = 3,5 W = 0,46 P = 1,6 W 0 3 P max = 3,0 W 2 1 Q int = 4,5 kj Salz/Zeolith Komposit 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Zeit / h = 0,17 P = 0,5 W T. Nonnen, Salz/Zeolith-Komposite für die Sorptionswärmespeicherung, Dissertation, Universität Leipzig, Leipzig, CaCl 2 and MgSO 4 Composites: SEM Ca-X 16CaCl 2 /Ca-X 0.20 Micropores (~ 1 nm) Secondary Pores (4 nm...10 µm) CaCl 2 /Ca-X Mg-X 11MgSO 4 /Mg-X 18MgSO 4 /Mg-X Salt Content / wt.-% Salt is Predominantly Located Inside the Micropores (Salt Inclusion) R.M. Barrer, W.M. Meier, J. Chem. Soc. (1958) R.M. Barrer, A.J. Walker, Trans. Faraday Soc. 60 (1964)

Model for Predicting the Water Uptake Water Salt solution

phases: Adsorbed water Gaseous water Liquid water (in case

(inclusion) and adsorbed water 17 Determination of

Temperature / C Humidity / (g kg -1 ) Partial Pressure /

Nonnen, S. Beckert, K. Gleichmann, A. Brandt, B. Unger, H.

9 Model for Predicting the Water Uptake Water Salt solution inside the secondary pores Equilibrium between the three phases: Adsorbed water Gaseous water Liquid water (in case of deliquescence) Salt ions Zeolite with salt ions (inclusion) and adsorbed water 17 Determination of Thermochemical Properties Humidification Sorption Chamber Temperature / C Humidity / (g kg -1 ) Partial Pressure / mbar Desorption 110 <0.2 <0.2 Sorption T. Nonnen, S. Beckert, K. Gleichmann, A. Brandt, B. Unger, H. Kerskes, B. Mette, S. Bonk, T. Badenhop, F. Salg, R. Gläser, Chem. Ing. Tech. 88 (2016)

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