Simulation und Auslegung eines Reaktors für die thermochemische Energiespeicherung auf Basis des Ca(OH)2/CaO-Reaktionssystems

Abstract

Für die Defossilisierung des Heizungssektors ist die effiziente Speicherung thermischer Energie über lange Zeiträume hinweg essentiell. Das Reaktionssystem von Calciumhydroxid (Ca(OH)2), Calciumoxid (CaO) und Wasserdampf (H2O) gilt als vielversprechend für den Einsatz in thermochemischen, saisonalen Energiespeichern. Die Entwicklung effizienter Speicherreaktoren ist aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Speichermaterials jedoch nach wie vor eine Herausforderung, welcher bislang mit komplexen Wärmeleitstrukturen und mechanischer Fluidisierung begegnet wurde. Beide Ansätze können den Wärmeeintrag in das Speichermaterial zwar verbessern, allerdings eignen sich diese Reaktoren aufgrund ihrer Komplexität nur unzureichend für den Einsatz in Einzelgebäuden. Grundlage dieser Arbeit ist daher ein neuartiges Konzept für einen direkt durchströmten Festbettreaktor, bei welchem das Speichermaterial in luftdurchlässigen Gitterkörben ruht. Die endotherme Beladung des Speichers erfolgt dabei über elektrische Heizstäbe im Reaktionsraum, während die Schüttung bei der exothermen Entladung mit einem Wasserdampf-Luft-Gemisch durchströmt wird. Ziel dieser Arbeit ist die numerische Simulation des Wärmetransports im Reaktor mit Comsol Multiphysics. Durch Parametervariation wurden die wesentlichen Wärmetransportmechanismen bei der Speicherbe- und entladung identifiziert und der Einfluss geometrischer sowie materialbezogener Größen, wie bspw. dem Pelletdurchmesser oder den Abmessungen der Schüttung, analysiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein effizienter Wärmeeintrag durch natürliche Konvektion in die ruhende Schüttung erfolgt, wenn die Permeabilität ebendieser hoch ist. Eine Erhöhung der Temperatur im Reaktionsraum verbessert den Wärmeeintrag ebenfalls, während jegliche Behinderungen des Fluidstroms im Reaktorinneren den Wärmeeintrag verschlechtern. Darüber hinaus beeinträchtigt eine Zunahme der Schüttungshöhe den Wärmeeintrag in diese erheblich, während die negativen Auswirkungen bei einer Verbreiterung der Schüttungskörbe – insbesondere aufgrund der erhöhten Speicherkapazität – als moderat eingestuft wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Strömung innerhalb der Schüttung der limitierende Faktor ist. Für einen guten Wärmeaustrag aus der Schüttung sollte diese mit dem Reaktionsgas direkt durchströmt werden, da die Wärmeübertragung von den Pellets auf das Fluid so am höchsten ist. Mit den erstellten Simulationsmodellen wurde abschließend die konstruktive Geometrie des Reaktors ausgelegt, welcher derzeit gefertigt und anschließend experimentell vermessen wird