DE102013211249A1 - Stepwise thermochemical storage of solar heat by redox materials - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung adressiert die Aufgabe, solarthermische Energie von konzentrierenden Solaranlagen, die mit Luft als Arbeitsmedium arbeiten, effektiv zu speichern, um sie später in Elektrizität umzuwandeln, wenn die Sonne untergegangen ist oder sie von Wolken bedeckt ist.The present invention addresses the task of effectively storing solar thermal energy from concentrating solar systems that work with air as the working medium, in order to convert it later into electricity when the sun has set or is covered by clouds.
Description
In der vorliegenden Erfindung geht es darum, die von einem Solarturm-Kraftwerk, das Luft als Wärmeträgermedium verwendet, während des „on-sun” Betriebs gesammelte thermische Energie effizient zu speichern, um sie später bei Wolken oder nach Sonnenuntergang in elektrische Energie umzuwandeln („off-sun” Betrieb). On-sun Betrieb beschreibt hierbei den Zustand, in dem konzentrierte Solarstrahlung auf den Strahlungsempfänger trifft, während im off-sun Betrieb keine konzentrierte Solarstrahlung eingesetzt wird.In the present invention, it is important to efficiently store the thermal energy collected by a solar tower power plant using air as a heat transfer medium during "on-sun" operation in order to later convert it into electrical energy in clouds or after sunset (" off-sun "operation). On-sun operation here describes the state in which concentrated solar radiation strikes the radiation receiver, while in off-sun operation no concentrated solar radiation is used.
Solche Kraftwerke speichern derzeit die Solarenergie als sensible Wärme in Feststoffen und können „off-sun” nur ca. 1,5 Stunden betrieben werden.Such power plants currently store the solar energy as sensitive heat in solids and can be operated "off-sun" only about 1.5 hours.
Elektrische Energie kann auf folgende Weise aus Solarstrahlung gewonnen werden [
Kommerzielle Solarthermische Kraftwerke haben das Potenzial, die weltweit enormen Erwartungen an saubere elektrische Energie zu erfüllen. Allerdings ist der Bedarf an elektrischer Energie auch einige Stunden nach Sonnenuntergang noch hoch. Daher müssen solarthermische Kraftwerke auch diesen „Nach-Sonnenuntergang” Grundlast-Strom bereitstellen können. Einer der Hauptunterschiede zwischen solarthermischen Kraftwerken und anderen erneuerbaren Energietechnologien ist die Möglichkeit, thermische Speicher in solarthermische Kraftwerke integrieren zu können, sodass diese auch nach Sonnenuntergang Strom bereitstellen können. Das Konzept von thermischen Speichern ist einfach: Tagsüber wird überschüssige Wärme in ein Speichermedium eingebracht. Wenn Stromerzeugung nach Sonnenuntergang erforderlich ist, wird die gespeicherte Wärme in den Dampfkreislauf geleitet und die Anlage kann weiterhin Strom produzieren.Commercial solar thermal power plants have the potential to meet the world's enormous expectations for clean electrical energy. However, the demand for electrical energy is still high even a few hours after sunset. Therefore, solar thermal power plants must also be able to provide this "after sunset" base load power. One of the major differences between solar thermal power plants and other renewable energy technologies is the ability to integrate thermal storage into solar thermal power plants so that they can provide power even after sunset. The concept of thermal storage is simple: During the day, excess heat is introduced into a storage medium. When power generation is required after sunset, the stored heat is channeled into the steam cycle and the system can continue to produce electricity.
Es gibt drei Arten, thermische Energiespeicher umzusetzen, je nachdem, auf welche Art die Wärme gespeichert wird: Sensible Wärmespeicherung, latente Wärmespeicherung und thermochemische Wärmespeicherung, wobei letztere sich auf Wärme bezieht, die von einer reversiblen endothermen chemischen Reaktion benötigt wird [
Mit sensibler Wärmespeicherung kann thermische Energie durch Temperaturänderung von einem Speichermedium aufgenommen werden. Sensible thermische Speicher bestehen aus einem Speichermedium, einem Behälter (normalerweise ein Tank), einem Einlass und einem Auslass. Während des on-sun Betriebs wird ein Teil des solarbeheizten Wärmeträgermediums genutzt, um die Temperatur des Speichermediums zu erhöhen. Während des off-sun Betriebs fließt das kalte Wärmeträgermedium zurück durch das noch heiße Speichermedium und wird somit auf ein Temperaturniveau gebracht, das zum Betrieb des Dampfkreislaufs ausreicht. Die Speichertanks müssen einerseits das Speichermedium enthalten und andererseits den Wärmeverlust an die Umgebung minimieren (eine Isolation bereitstellen). Feste Speichermedien sind typischerweise als Festbetten ausgeführt, wodurch ein weiteres Wärmeträgermedium benötigt wird. Wenn dieses Medium eine Flüssigkeit ist, ist die Wärmekapazität sowohl des Feststoffs als auch der Flüssigkeit nicht zu vernachlässigen und das System wird „dual storage” System bezeichnet. Ein Vorteil von „dual storage” Systemen ist, dass kostengünstige Materialien wie Stein, Sand, Hochtemperaturbeton [
Zurzeit werden nur zwei verschiedene Speichertechnologien in mittleren und großen solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Das PS10 (10 MW) Kraftwerk in Solucar nahe Sevilla/Spanien nutzt das Konzept des Dampfspeichers, d. h. dass sensible Wärme in druckbeaufschlagtem, flüssigem Wasser gespeichert wird. Im Vollastbetrieb wird ein Teil des erzeugten Dampfes genutzt, um das Speichersystem zu laden [
Beide Konzepte bringen verschiedene Nachteile mit sich, die weiter unten näher beschrieben werden. Daher gibt es in jüngster Zeit großes Interesse an alternativen Speichermaterialien und -konzepten, die gegenwärtig im Labor- und Pilotmaßstab getestet werden. Zu diesen gehören zum Beispiel kostengünstige Feststoffe als sensible Wärmespeicher oder Phasenwechselmaterialien für Latentwärmespeicher. Im DLR werden derzeit der Wirkungsgrad, die Stabilität und die Wirtschaftlichkeit von Feststoffwärmespeichern (Hochtemperaturbeton oder Gusskeramiken) für Parabolrinnenkraftwerke untersucht. Solche Systeme nutzen ein etabliertes Wärmeträgermedium (Thermoöl) im Solarfeld, welches in Rohren durch den Feststoffwärmespeicher geleitet wird, um während des Solarbetriebs Wärme an den Feststoff abzugeben. Vorteil dieses Konzeptes sind die geringen Kosten des Feststoffs.Both concepts involve several disadvantages, which are described in more detail below. Therefore, there has recently been much interest in alternative storage materials and concepts currently being tested on a laboratory and pilot scale. These include, for example, inexpensive solids as sensitive heat storage or phase change materials for latent heat storage. DLR is currently investigating the efficiency, stability and cost-effectiveness of solid heat storage systems (high-temperature concrete or cast ceramics) for parabolic trough power plants. Such systems use an established heat transfer medium (thermal oil) in the solar field, which is passed in pipes through the solid heat storage to deliver heat to the solid during solar operation. The advantage of this concept is the low cost of the solid.
Sensible Wärmespeicher sind auch die bevorzugte Speichertechnologie für Solartürme, welche Luft als Wärmeträgermedium verwenden. Ein Beispiel dafür ist der Solarturm Jülich (STJ), der 2009 in Betrieb genommen wurde (
In seinem primären Zyklus wird die Umgebungsluft bei Atmosphärendruck bis zu Temperaturen von etwa 700°C erhitzt; jedoch ist es möglich, diese Temperatur gegebenenfalls in zukünftigen Anlagen mit der gleichen Technologie zu überschreiten.In its primary cycle, the ambient air is heated at atmospheric pressure up to temperatures of about 700 ° C; however, it may be possible to exceed this temperature in future plants using the same technology.
Mit dieser Solarwärme wird ein Dampferzeuger betrieben, der Dampf bei 100 bar und 500°C erzeugt und eine 1,5 MWel Turbinen-Generator Kombination antreibt.With this solar heat, a steam generator is operated, which generates steam at 100 bar and 500 ° C and drives a 1.5 MWel turbine-generator combination.
Parallel zu dem Dampferzeuger und Receiver wird ein sinnvoller Wärmespeicher in den Kraftwerk integriert und als luftgekühlter kombinierter Regenerator-Speicher implementiert, in dem die Luft durchgeleitet wird und dort ihre Enthalpie auf ein festes Medium überträgt (1 (b)).Parallel to the steam generator and receiver, a sensible heat accumulator is integrated into the power plant and implemented as an air-cooled combined regenerator tank in which the air is passed through and transfers its enthalpy to a solid medium (1 (b)).
Mit dieser Art von Speicherlösung, die in verschiedenen industriellen Anwendungen verwendet wird, ist ein gasförmiges Wärmeträgermedium, z. B. Luft, in direktem Kontakt mit einem festen Speichermedium und tauscht Wärme aus, während es entlang eines Strömungsweges durch das Speichermedium fließt. Die vollständig verwirklichte Speicher-Lösung besteht aus einem rechteckigen Gehäuse von 7 m × 7 m × 6 m (
Statt eines monolithischen Designs ist der Speicher in vier gleich groß Kammern aufgeteilt, die parallel arbeiten und durch eine Kuppel und Verbindungsrohre verbunden sind. Jede Kammer ist mit einer Serie von Bausteinen keramischen Speichermaterials in Form von Wabenstrukturen gefüllt (
Alternativ kann thermische Energie mit Latentwärme-Speichermaterial (LHS) mittels einer Reihe von Substanzen nahezu isotherm gespeichert werden, indem die latente Wärme zu einer Phasenänderung, wie die Schmelzwärme beim Fest-Flüssig-Übergang oder wie die Verdampfungswärme beim Flüssigkeits-Dampf-Übergang, genutzt wird. Das Gesamtkonzept der Speicher mittels latente Wärme ist das gleiche wie bei Festkörperspeichern; der Unterschied ist, dass bei Latentwärmespeichern die Solarwärme, die während des Sonnenbetriebs vorgesehen wird, nicht verwendet wird, um die Temperatur des Wärmespeichermedium zu erhöhen, sondern um es zu schmelzen; die gleiche Wärmemenge kann durch die Verfestigung des Wärmespeichermediums während des off-sun Betriebs wiedergewonnen werden. Damit dieser Prozess genutzt werden kann, sollte das Speichermaterial eine Schmelztemperatur im Bereich der Be- und Entladetemperaturen der HTF haben; verwendete Substanzen werden Phase Change Material (PCM) genannt. Materialkandidaten für Latentwärmespeicher sind Salze (NaNO3/KNO3) [
Thermochemische Speicher Konzepte haben noch nicht diesen Entwicklungsstatus erreicht. Sie beruhen auf der Nutzung der Wärmetönung von reversiblen chemischen Reaktionen für die ”Speicherung” von Solarwärme. Für diese Art von Speicher ist es erforderlich, dass die beteiligten chemischen Reaktionen vollständig reversibel sind. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: die Wärme, die durch den Solarreceiver während des on-sun Betriebs erzeugt wird, wird verwendet, um eine endotherme chemische Reaktion anzutreiben; wenn die Reaktion vollständig reversibel ist, kann die thermische Energie durch die Umkehrreaktion, die während des off-sun Betriebs abläuft), vollständig zurückgewonnen werden. Die Wärme wird bei einer konstanten Temperatur, die durch das Reaktionsgleichgewicht definiert wird, freigesetzt. Mehrere reversiblen Reaktionen mit hoher Wärmetönung wurden für diese Anwendung vorgeschlagen: eine Kategorie umfasst ausschließlich gasförmige Edukte und Produkte wie z. B. die Ammoniak-Dissoziation (Reaktion 1) [
Wie bereits erwähnt, hat von den vorgeschlagenen Gas-Feststoff-Reaktionen für die thermochemische Speicher-Anwendungen (Reaktionen 2–4 oben) die Nutzung von Reaktionen von Redox-Paaren mehrwertiger fester Oxide mehrere Vorteile, die sie für großtechnischen Einsatz attraktiv machen [
Mehrere oxidbasierte thermochemische Redox-Reaktionen werden durch ein hohes Maß an Wärmefreisetzung begleitet und sind daher grundsätzlich in der Lage, die Wärme zu speichern und abzugeben. Potenzielle Materialkandidaten in dem interessanten Temperaturbereich sind BaO2, Co3O4, Mn2O3, CuO, Fe2O3, sowie Mischoxide dieser Systeme. Diefolgenden beispielhaften Reaktionsschemen sind nach zunehmender Oxidations-/Reduktionstemperatur sortiert [a. a. O.]:
Derzeit werden TCS Konzepte in national und international finanzierten Forschungsprojekten untersucht. Dabei sind unter anderem auch CSP-bezogene Forschungseinrichtungen beteiligt, die darauf hinarbeiten, dieses Konzept, zumindest für spezielle Reaktionssysteme, in einer Pilotanlage mit entsprechenden Speichereinheiten zu demonstrieren. Das Konzept des Beschichtens von keramischen, monolithischen, porösen Strukturen mit festem Aktivmaterial – z. B. Katalysatoren – zur Verbesserung von Hochtemperatur-Gas-Feststoff-Reaktionen wird schon lange im industriellen Maßstab eingesetzt. Das beste Besipiel dafür sind Keramik-Wabenkörper, die mit Katalysatormaterial in Form von Oxiden mit hoher Oberfläche (sogenanntes ”Grundieren”) beschichtet sind, eine Technik, die bei Drei-Wege-Katalysatoren für Dieselpartikelfilter (DPF) in jedem Abgassystem von Autos eingesetzt wird. Eine Alternative zu Wabenkörpern, bevor diese katalytisch beschichtet eingesetzt wurden, sind die zur Filtration von Metallschmelzen und Flammdiffusore verwendeten zellular-porösen, keramischen Schaumstrukturen. Solche typischen Wabenkörper und Schäume, sowie deren jeweilige Mikrostruktur sind in den
Im gleichen Bereich der katalytischen Behandlung von schädlichen Gasen und Partikeln, die vielfältigen Bedingungen – oft gegenläufigen – chemischer Reaktionen, Oxidation von CO und Kohlenwasserstoffen, Reduktion von NOx und oammeln und oxidieren von Rußpartikeln, haben zum Einsatz mehrerer, simultan eingesetzter Katalysatoren geführt, sowie der Nutzung von Synergien zwischen diesen Katalysatoren. Tatsächlich basieren alle modernen Diesel-Magermotoren auf einem ”kaskadischen” Prinzip. Dabei wirken drei unterschiedliche, poröse Aktivsubstanten und Konverter in Reihe: (i) Oxidationskatalyse um CO und KWs zu entfernen, (ii) DPF um Rußpartikel zu entfernen und (iii) spezifische NOx Entfernungssysteme (de-NOx), wie Lean NOx traps (LNT) oder Konverter auf Basis der selektiven katalytischen Reduktion (SCR). [
Da solche porös-monolithischen Strukturen viel Platz im Fahrzeug einnehmen, ist der derzeitige Stand der Technik diese Mehrfach-Reaktionen zu kombinieren und nachteilige Beinflussungen zwischen den verschiedenen Materialien zu vermeiden, eine sequenzielle oder simultane Verwendung der diversen katalytischen Materialien. Weiterhin werden multidimensionale Designs eingeführt, wie z. B. mehrschichtige Katalysatorsysteme und/oder eine räumliche Trennung der katalytischen Materialien über und entlang der porösen Struktur. Zwei Beispiele dafür sind ”getrennte Grundierungen” und ”zonales Beschichten”. Getrennte Grundierungen wurden entwickelt um Edelmetalle räumlich zu trennen, indem sie auf eigenen Metalloxiden der Grundierung angebracht werden bevor es zur Anwendung auf dem Substrat kommt. Typische Beispiele sind mehrschichtige Katalysatorsysteme: Das Katalysatorsystem ist räumlich unterteilt in zwei oder mehr Schichten, die gut getrennte, verschiedene Dispersionen von Aktivmetallen und deren Beschleuniger enthalten (
Im Falle von Wabenkörperreaktoren wird von extrudierten Körper aus Fe2O3, welches ein Katalysator zur Dehydrierung von Ethylbenzen zu Styrol ist, berichtet [
Ein weiteres Patent beschreibt die Herstellung von Schäumen aus Chromoxid (Cr2O3) oder Cobalt-Chromoxid (Co0.2Cr0.8Ox) zur Erprobung der Herstellung von Synthesegas mittels der partiellen Oxidation von Leichtkohlenwasserstoffen [K. Kourtakis, A. M. Gaffney, L. Wang, Reticulated ceramic foam catalysts for synthesis gas production,
Im Bereich der „Solaren Verfahrenstechnik”, speziell bei thermochemischen Kreisprozessen, ist der Einsatz von Oxiden als Redoxmaterialien bekannt:
Ausgehend von dieser etablierten Technologie hat sich die Idee, ähnliche Keramiken – die jedoch in der Lage sind Solarstrahlung zu absorbieren – in monolithischen Strukturen wie Waben und Schäume mit katalytisch aktivem Material oder Redoxmaterialien zu beschichten, entwickelt. Tatsächlich beinhalteten die ersten Publikationen zu diesen Strukturen im Bereich CSP keramische Schäume: Das erste Beispiel eines „strukturierten” Solarreaktors ist das „CAESAR” Experiment, das von Sandia National Laboratories (SNL) und dem DIR durchgeführt wurde, in dem solare Reformierung von Methan mit CO2 demonstriert wurde [
Based on this established technology, the idea of coating similar ceramics - which are however able to absorb solar radiation - in monolithic structures such as honeycombs and foams with catalytically active material or redox materials has been developed. Indeed, the first publications on these CSP structures included ceramic foams: The first example of a "structured" solar reactor is the "CAESAR" experiment conducted by Sandia National Laboratories (SNL) and the DIR in the solar reforming of methane CO 2 was demonstrated [
Die zweite und dritte Generation von SiC-Schaum basierten solarchemischen Receiver-Reaktoren wurden für den Turm des Solaren Forschungszentrums des Weizmann Institute of Science (WIS) in Israel ausgelegt und getestet [
Auf Basis der zuvor erwähnten Aktivitäten wurden kürzlich netzartig aufgebaute poröse Keramikschäume hergestellt, die in Gänze aus dem aktiven Material – Cer-Oxid (CeO2) in diesem Fall – bestehen. Diese wurden im Labormaßstab unter solarthermischen Hochtemperaturbedingungen (1600°C) zur Kohlenstoffdioxidspaltung (CO2) mithilfe von thermochemischen Redox-Kreisprozessen getestet [
Die beiden Speicher-Technologien, die kommerziell in existierenden solarthermischen Kraftwerken im großen Maßstab implementiert wurden sind das „Dampfspeicher”-Konzept und die Salzschmelze. Ersteres ist gekennzeichnet durch hohe Investitionskosten für den Hochdrucktank und daher aus ökonomischer Sicht nicht für eine weitere Hochskalierung geeignet. Letzteres ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl an Nachteilen: Schutz vor Gefrieren macht eine Beheizung nötig, was den parasitären Energieverbrauch erhöht. Zusätzlich werden große Mengen des Salzes benötigt; im Fall des Andasol Krafwerks (7,5 h Speicher) beispielsweise werden 28000 Tonnen genutzt [
Thermochemische Wärmespeicherung hat mehrere wichtige Vorteile gegenüber den anderen Speichertechnologien (latente und sensible Wärmespeicherung): höhere Energiespeicherdichten erreichbar, unbegrenzt lange Speicherzeit nahe Umgebungstemperatur, Wärmepumpen-Fähigkeit und Eignung für Großanlagen. Solarthermische Technologien mit thermochemischen Reaktionspfaden ermöglichen Systeme mit inhärenter Energiespeicherung für kontinuierliche (24 h) Erzeugung von Strom, ein Thema, das zunehmend an Bedeutung gewinnt, da die Welt sich hin zu einer auf erneuerbaren Energien basierenden Wirtschaft bewegt.Thermochemical heat storage has several important advantages over other storage technologies (latent and sensible heat storage): higher energy storage densities attainable, unlimited storage time near ambient temperature, heat pump capability and suitability for large scale installations. Thermo-thermal thermo-thermal pathways allow systems with inherent energy storage for continuous (24 h) electricity generation, an issue that is becoming increasingly important as the world moves toward a renewable energy-based economy.
Allerdings hat das NH3/N2-System unter den verschiedenen für TCS vorgeschlagen Reaktionssystemen den inhärenten Nachteil hohe Drücke zu benötigen, sodass die Langzeitspeicherung seiner gasförmigen Bestandteile nicht praktikabel ist. Bei den für Gas-Festkörper-Reaktionen vorgeschlagen TCS-Anwendungen, beinhaltet die Zersetzung der Hydroxide und Carbonate, wie in Reaktionen (2) und (3) oben, die Erzeugung von gasförmigen Produkten wie H2O oder CO2, die zum Speichern kondensiert bzw. komprimiert werden müssen, was parasitäre Energieverluste nach sich zieht. Darüber hinaus liegt die größte technische Herausforderung bei solchen Gas-Festkörper-Reaktionen darin, TCS-Reaktoren, die zur gleichen Zeit und effizient als Wärmetauscher fungieren, in geeigneter Weise zu entwickeln und zu betreiben. Festbettreaktorkonzepte, die bisher vor allem für das CaO-System vorgeschlagen wurden, beinhalten entweder indirekte Wärmeübertragung in der Reaktionszone durch einen externen Wärmetauscher und Wärmeübertragung durch die Speicherreaktorwand oder direkte Wärmeübertragung mittels Strömung eines Wärmeträgerfluids durch die Reaktionszone, welches gleichzeitig der gasförmige Reaktant und/oder ein Inertgas sein könnte. Auf der anderen Seite erfordern Wirbelschichtreaktorkonzepte, auch wenn sie Durchmischung, Diffusion und Wärmeübertragungseigenschaften verbessern können, hohe Gasdrücke und den Transport/die Rezirkulation (heißer) Feststoffpartikel und verursachen, neben den zu erwartenden Problemen mit Abrieb und Korrosion/Erosion, einen großen parasitären Energieverbrauch und wirtschaftliche Probleme. Ähnliche Probleme im Zusammenhang mit dem Laden und Entladen von Pulver in Speichertanks mit beweglichen Teilen und komplizierten mechanischen Anlagenteilen betreffen andere vorgeschlagene Speicherkonzepte wie die ”face-down” Partikelreceiver für Solartürme, die folglich das Potenzial für eine effiziente Hochskalierung begrenzen.However, among the various reaction systems proposed for TCS, the NH3 / N2 system has the inherent disadvantage of requiring high pressures, making long-term storage of its gaseous constituents impractical. In the TCS applications proposed for gas-solid reactions, the decomposition of the hydroxides and carbonates, as in reactions (2) and (3) above, involves the production of gaseous products such as H 2 O or CO 2 , which condenses for storage or have to be compressed, resulting in parasitic energy losses. Moreover, the major engineering challenge in such gas-solid reactions is to appropriately develop and operate TCS reactors that function as heat exchangers at the same time and efficiently. Fixed bed reactor concepts, heretofore proposed especially for the CaO system, involve either indirect heat transfer in the reaction zone through an external heat exchanger and heat transfer through the storage reactor wall or direct heat transfer by means of flow of a heat transfer fluid through the reaction zone which simultaneously contains the gaseous reactant and / or catalyst Could be inert gas. On the other hand, fluidized bed reactor designs, while capable of improving mixing, diffusion and heat transfer properties, require high gas pressures and transport / recirculation (hot) particulate matter and, in addition to the expected problems of attrition and corrosion / erosion, cause high parasitic energy consumption and economic problems. Similar problems associated with the loading and unloading of powder in storage tanks with moving parts and complicated mechanical parts concern other proposed storage concepts, such as solar towers, which limit the potential for efficient upscaling.
Im Bereich der Solarenergie Speicher wurden Redox-Reaktionen der Oxide von Metallen mit multivalenten Zuständen (wie Reaktionen (5)–(9) oben) seit dem Jahr 1978 für TCS diskutiert [
Auf der anderen Seite werden, wie bereits erwähnt, für die Speicherung sensibler Wärme derzeit poröse monolithische Strukturen in direktem Kontakt mit solar beheizter Luft, die (während des ”Ladevorgangs”) durch ihre Kanäle strömt, verwendet. Dieser Vorgang ist rein thermisch; es findet keine chemischen Reaktionen statt [a. a. O.].On the other hand, as already mentioned, for the storage of sensible heat currently porous monolithic structures are used in direct contact with solar heated air flowing through their channels (during the "charging"). This process is purely thermal; no chemical reactions take place [loc. cit.].
Ähnliche Ideen sind vor kurzem mit Bezug auf thermische Latentwärme-Speicher in offen zugänglicher Literatur veröffentlicht worden. Vorgeschlagen wird die Aufbringung von aktiven Wärmespeichermaterialien wie Salzen als Phasenwechselmaterial auf Waben- oder Schaumstrukturen durch Imprägnierung, so dass ein Verbundmaterial erzeugt wird, welches Wärme speichern und abgeben kann [a. a. O.].Similar ideas have recently been published with respect to thermal latent heat storage in publicly available literature. The application of active heat storage materials such as salts as phase change material to honeycomb or foam structures by impregnation is suggested so as to produce a composite material which can store and release heat [a. a. O.].
Mit dem gleichen Konzept der Latentwärme-Speicherung mit Hilfe von Phasenwechselmaterialien, wurde die Idee der Kombination von Kaskaden von Materialien mit verschiedenen chemischen Zusammensetzung in einer geeigneten Art und Weise im Raum nach ihren thermochemischen Eigenschaften vorgeschlagen und umgesetzt. Die so genannte ”kaskadierte Latentwärme-Speicherung” (Cascaded Latent Heat Storage, CLHS) wurde vorgeschlagen sowie experimentell und numerisch überprüft mit einer Kaskade von drei Phasenwechselmaterialien, in der eine Mischungen von Salzen im festen Zustand mit einer zunehmenden Schmelztemperatur von der unteren Betriebstemperatur des Speichermoduls zur maximalen Betriebstemperatur entsprechend der verschiedenen Eigenschaften des Mediums zur Übertragung sensibler Wärme und der Medien zur Latentwärme-Speicherung kaskadiert sind. [
In diesem Zusammenhang schlägt die vorliegende Erfindung vor, die ”thermochemische Speicherung” (ThermoChemical Storage, TCS) von Solarwärme zusammen mit der Speicherung von sensibler Wärme einzusetzen, d. h. den thermischen Effekt von reversiblen chemischen Reaktionen zu nutzen: solare Wärme, die während des on-sun Betriebs erzeugt wird und die Enthalpie des Wärmeträgermediums erhöht, wird verwendet, um eine endotherme chemische Reaktion einer bestimmten Verbindung ablaufen zu lassen; wenn diese Reaktion vollständig reversibel ist, kann die gesamte thermische Energie durch die während des off-sun Betriebs ablaufende Rückreaktion zurückgewonnen werden – in diesem Konzept ist die chemische Verbindung selbst das so genannten Wärmespeichermedium (Heat Storage Medium, HSM). Unter den verschiedenen reversiblen chemischen Reaktionen, die für diesen Zweck eingesetzt werden können, schlägt die Erfindung vor, zwei Gas-Festkörper Redox-Reaktionen zwischen Sauerstoff (aus Umgebungsluft) und multivalenten Festkörper-Oxiden zu nutzen: insbesondere die thermische Reduktion des Oxids im oxidierten Zustand wodurch Wärme in chemische Bindungen umgewandelt wird (Wärmespeicherung) und Oxidation in Luft des Oxids im reduzierten Zustand wodurch Wärme freigesetzt wird (Wärmerückgewinnung). In solche Reaktionen kann Luft gleichzeitig als Wärmeträgerfluid und als Reaktant verwendet werden; daher können solche Systeme ideal mit CSP Solarturmanlagen, die mit volumetrischen Receivern und Luft als Wärmeträger arbeiten, gekoppelt werden.In this connection, the present invention proposes to use the "thermo chemical storage" (TCS) of solar heat together with the storage of sensible heat, i. H. utilizing the thermal effect of reversible chemical reactions: solar heat generated during on-sun operation that increases the enthalpy of the heat transfer medium is used to cause an endothermic chemical reaction of a particular compound; if this reaction is completely reversible, the total thermal energy can be recovered by the back reaction occurring during off-sun operation - in this concept, the chemical compound itself is the so-called heat storage medium (HSM). Among the various reversible chemical reactions which can be used for this purpose, the invention proposes to use two gas-solid redox reactions between oxygen (from ambient air) and multivalent solid-state oxides: in particular the thermal reduction of the oxide in the oxidized state whereby heat is converted into chemical bonds (heat storage) and oxidation in air of the oxide in the reduced state whereby heat is released (heat recovery). In such reactions, air can be used simultaneously as a heat transfer fluid and as a reactant; therefore, such systems can be ideally coupled with CSP solar tower systems that use volumetric receivers and air as the heat transfer medium.
Die spezifische technische Anwendung der Erfindung ist die Erreichung von effizienterer Wärmeübertragung zwischen dem solarbeheizten Wärmeträgerfluid und dem Wärmespeichermedium (dem Oxid) und dadurch die Ausweitung des Betriebs der Anlage ohne Sonne über den aktuellen Stand der Technik hinaus.The specific technical application of the invention is the achievement of more efficient heat transfer between the solar heated heat transfer fluid and the heat storage medium (the oxide) and thereby extending the operation of the plant without sun over the current state of the art.
In dieser Hinsicht umfasst das neue Konzept, vorgestellt in der Erfindung, Kaskaden von Strukturen als Wärmespeichermedium mit unterschiedlichen Redox-Materialien, die in einem gewissen rationalen Muster im Raum entsprechend ihrer thermochemischen Eigenschaften und der lokalen Temperatur des Wärmeträgermediums angeordnet sind.In this regard, the novel concept presented in the invention includes cascades of structures as a heat storage medium with different redox materials arranged in a certain rational pattern in space according to their thermochemical properties and the local temperature of the heat transfer medium.
Insbesondere betrifft die Erfindung die sinnvolle Kombination von thermochemischen Eigenschaften und die räumliche Verteilung von Redox-Materialien, die thermisch unter Luftatmosphäre bei Temperaturen von vorzugsweise 100°C bis 1200°C oxidiert und reduziert werden können, das kann in integrierten chemischen Reaktoren/Wärmetauscher für die thermochemische Speicherung von Solarwärme in kommerziellen Solarkraftwerken unter Verwendung von Luft als Wärmeträger verwendet werden. Diese Kaskadierung erhöht und maximiert die Ausnutzung der Wärmeträgerfluide und die Speicherung seiner Enthalpie.In particular, the invention relates to the meaningful combination of thermochemical properties and the spatial distribution of redox materials that can be thermally oxidized and reduced under air atmosphere at temperatures of preferably 100 ° C to 1200 ° C, which can be in integrated chemical reactors / heat exchangers for the thermochemical storage of solar heat in commercial solar power plants using air as the heat carrier can be used. This cascading increases and maximizes the utilization of the heat transfer fluids and the storage of its enthalpy.
Einzelne Stufen der Kaskade können als Redoxsystem anstelle von mehrwertigen festen Oxiden genutzt werden, Systeme aus Metalloxid/Metall in reduzierter Form bestehen nicht darin, dass das Metall die niedrigere Valenz hat sondern das Metall selbst (siehe unten).Individual stages of the cascade can be used as the redox system instead of polyvalent solid oxides, and metal oxide / metal systems in reduced form do not consist of the metal having the lower valence but the metal itself (see below).
Eine solche kaskadierte Anordnung ist im Prinzip kompatibel und kann in Kombination mit allen möglichen Wärmetauscher/Reaktor-Designs mit den Partikeln jedes Oxidmaterials entweder zufällig im Raum verteilt oder in einer bestimmten Weise auf der Reaktor-Ebene verwendet werden, in einer Weise einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem festen Speichermedium und dem Gas-Wärme-Übertragungsfluid mit hoher volumetrischer Wärmespeicherkapazität und akzeptablen Druckabfall zu kombinieren. In dieser Hinsicht kann die Kaskade aus einzelnen Stufen entweder ein Festbett oder poröse Strukturen wie Bienenwaben oder Schäumen entweder mit einem Redox-Material beschichtet oder komplett aus einer beliebigen Kombination der obigen Materialien sein.Such a cascaded arrangement is in principle compatible and, in combination with all possible heat exchanger / reactor designs, with the particles of each oxide material either randomly distributed in space or used in a particular manner at the reactor level, in an improved heat exchange manner the solid storage medium and the gas-heat transfer fluid with high volumetric heat storage capacity and acceptable pressure drop to combine. In this regard, the cascade of individual stages may be either a fixed bed or porous structures such as honeycombs or foams either coated with a redox material or entirely from any combination of the above materials.
Die Erfindung kann mit einer Variation von Porosität innerhalb der einzelnen Kaskadenstufe (d. h. nicht nur auf, sondern auch über den Reaktor-Querschnitt) kombiniert werden. In Bezug zum früheren Unteranspruch können beispielsweise Waben oder Schaum-Strukturen mit unterschiedlicher Porosität über einen bestimmten Reaktor/Wärmetauscherstufe den Querschnitt verteilt werden, um das Geschwindigkeits-Profil der Luft zu homogenisieren und somit eine gleichmäßigere Wärmeübertragung über den gesamten Reaktor zu erreichen.The invention may be combined with a variation of porosity within the single cascade stage (i.e., not only on but also across the reactor cross-section). For example, in relation to the earlier subclaim, honeycomb or foam structures having different porosity may be distributed over a particular reactor / heat exchanger stage cross section to homogenize the velocity profile of the air and thus achieve more uniform heat transfer throughout the reactor.
Die kaskadierte Struktur kann zusätzlich mit verschiedenen anderen (nicht-thermochemischen) Modi von Wärmespeichern, d. h. mit Speicherung von sensibler oder latenter Wärme, sinnvoll oder in einer anderen Konfiguration zum Beispiel nur thermochemische, sensible oder Latent-Wärmespeicher kombiniert werden.The cascaded structure may additionally be coupled with various other (non-thermochemical) modes of heat storage, i. H. with storage of sensible or latent heat, meaningful or combined in another configuration, for example, only thermochemical, sensible or latent heat storage.
Zusammenfassend kann die Erfindung als eine modulare, kaskadierte Speicherung, als thermochemischer Reaktor/Wärmetauscher mit räumlicher Variation der funktionellen Materialien und strukturellen Merkmalen in drei Dimensionen visualisiert werden.In summary, the invention can be visualized as a modular, cascaded storage, as a thermochemical reactor / heat exchanger with spatial variation of the functional materials and structural features in three dimensions.
Die vorliegende Erfindung stammt von allen obigen Entwicklungen ab. Der erste Ansatz schlägt die Verwendung von kaskadierten Strukturen aus Redox-Oxiden unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung vor, in einer dreidimensionalen Variation im Raum zur thermochemischen Speicherung von Solarwärme, wo die erzeugte Wärme und nicht das chemische Produkt per se von primärem Interesse ist. So ist auch die Idee der möglichen Kombination mit verschiedenen Austauscher-Struktur-Konzepten, wie zum Beispiel die Beschichtung oder die Herstellung vollständig porösen Trägerstrukturen mit/aus Redox-Oxiden, die jeweils in einem integrierten Reaktor/Wärmetauscher-Konzept nicht für die Maximierung des volumetrischen Ertrags von gewünschten chemischen Produkten sondern für die Wärmespeicherung genutzt werden. In dieser Hinsicht unterscheidet sich die vorliegende Erfindung von den oben genannten Konzepten in den folgenden Aspekten:
Die gewünschten Material-Zusammensetzungen werden nicht durch eine hohe chemische Affinität zu der Produktion eines bestimmten chemischen Endprodukts (z. B. die Funktionalität für die Wasserspaltung oder der Kohlendioxid Spaltung), sondern durch moderate bis hohe Hitzeeinwirkung von der Oxidation/der Reduktion und einem hohen Ausmaß an Reversibilität gekennzeichnet.The present invention is derived from all the above developments. The first approach proposes the use of cascaded structures of redox oxides of different chemical composition, in a three-dimensional variation in the space for the thermochemical storage of solar heat, where the generated heat rather than the chemical product per se is of primary interest. So too is the idea of the possible combination with different exchanger-structure concepts, such as the coating or the production of completely porous support structures with / from redox oxides, each not in an integrated reactor / heat exchanger concept for maximizing the volumetric Yield of desired chemical products but to be used for heat storage. In this regard, the present invention differs from the above concepts in the following aspects:
The desired material compositions are not characterized by a high chemical affinity for the production of a particular chemical end product (eg the functionality for water splitting or carbon dioxide cleavage) but by moderate to high heat exposure from oxidation / reduction and high Extent of reversibility marked.
Die Umgebungsluft ist auch anders: in thermochemischen Zyklen, die eine thermische Reduktion und Oxidation der Verbindungen durch Dampf oder Kohlendioxid (H2O/CO2 Spaltung) beinhalten, ist die thermische Reduktion die Erzeugung von Sauerstoff nur begünstigt, wenn der Partialdruck von Sauerstoff oberhalb des Materials sehr niedrig ist, d. h. unter einer inerten Atmosphäre ist. Im Gegensatz dazu findet die thermochemische Speicherung unter Luft statt, darum handelt es sich um Materialien, die unter Luftatmosphäre thermisch reduziert und oxidiert werden können.The ambient air is also different: in thermochemical cycles involving thermal reduction and oxidation of the compounds by steam or carbon dioxide (H 2 O / CO 2 fission), the thermal reduction is favored only by the partial pressure of oxygen above of the material is very low, ie under an inert atmosphere. In contrast, thermochemical storage takes place under air, so these are materials that can be thermally reduced and oxidized under air atmosphere.
Die Betriebstemperaturen sind auch anders: in den H2O/CO2 Spaltungs-Fällen werden die Reaktoren direkt von konzentrierter Sonnenstrahlung auf Temperaturen über 1400°C für die thermische Reduktion erhitzt, während TCS-Oxid-Materialien im Betrieb in einem Temperaturbereich von 100°C bis 1200°C liegen.Operating temperatures are also different: in the H 2 O / CO 2 fission cases, the reactors are heated directly from concentrated solar radiation to temperatures above 1400 ° C for thermal reduction, while TCS oxide materials operate in a temperature range of 100 ° C C are up to 1200 ° C.
Das vorgeschlagene Konzept ist ganz anders, nicht nur in Bezug auf strukturierte katalytische Reaktoren wie oben beschrieben, sondern auch von ”konventionellen” Wärmetauscher/Reaktoren (HEX), die einen Reaktor und einen Wärmetauscher in einer Einheit kombinieren mit dem Anreiz die Versorgung/die Wärmeabfuhr der endothermen/exothermen Reaktionen stark zu verbessern, am besten fast so schnell wie sie absorbiert oder durch die Reaktion erzeugt wird [
Die thermochemischen Speicher-Betriebsbedingungen sind viel milder als jene für die solar-thermochemischen Reaktionen für Wasser- oder CO2-Spaltung; daher werden verschiedene Probleme bei den letztgenannten Anwendungen mit den Materialien, der Stabilität/der Flüchtigkeit bei höheren Temperaturen, thermische Spannungen während des Betriebs, unerwünschte chemische Reaktionen usw. sind viel geringer und können viel effektiver gelöst werden. Die Verwendung von kaskadierten Strukturen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen und möglicherweise aus einer Vielzahl von strukturellen charakteristischen Designs, die den volumetrischen Wärmeeintrag in einem Wärmeaustausch-Modul maximieren, wie es in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ermöglicht eine kompakte, effektive, modulare und skalierbare integrierte Wärmetauscher/thermochemischer Reaktor-Konfiguration für die Speicherung von solarer Wärme mit erweiterter Betriebslaufzeit als bisher vorgeschlagen.The thermochemical storage operating conditions are much milder than those for the solar-thermochemical reactions for water or CO 2 cleavage; therefore, various problems in the latter applications with materials, stability / volatility at elevated temperatures, thermal stresses during operation, undesirable chemical reactions, etc., are much lower and can be solved much more effectively. The use of cascaded structures of different chemical compositions and possibly a variety of structural characteristic designs that maximize volumetric heat input in a heat exchange module, as proposed in the present invention, enables a compact, effective, modular and scalable integrated heat exchanger. thermochemical reactor Configuration for the storage of solar heat with extended operating time than previously proposed.
Die vorgestellte Erfindung zielt auf Solarthermische Kraftwerke (STKW) ab, bei denen Luft als Wärmeträgerfluid verwendet wird, mit dem Ziel die off-sun Entladungsdauer im Vergleich zu aktuellen Dauern maßgeblich zu erhöhen. Dazu wird ein Übergang vom gegenwärtigen Status, der Verwendung sensibler Wärme, hin zu einer thermochemischen Speicherung vorgeschlagen – wie unten begründet wird kann hier unter genauerer Betrachtung von einem „sensibelthermochemischen” Hybrid-Speicher gesprochen werden. Die Erfindung zielt darauf ab, die „technologische Lücke” der Entwicklung und Anwendung von effizienten Reaktor/Wärmetauscher für die thermochemische Speicherung zu schließen. Das neue Konzept sieht den Einsatz kaskadierter Strukturen als Wärmespeichermedien vor, wobei die Strukturen unterschiedliche Redox-Oxide enthalten und in einer bestimmten Weise, entsprechend ihrer thermochemischen Charakteristik und der örtlichen Temperatur des Wärmeträgerfluids, im Raum angeordnet sind. Dadurch hat es folgende Vorteile gegenüber anderen Konzepten zur Speicherung solarer Wärme und gegenüber den Wärmespeichertechnologien, die in solchen STKW zum Einsatz kommen: Die Nutzung thermochemischer Speicherung zusätzlich zur geläufigen Speicherung sensibler Wärme und der damit verbundenen in-situ Speicherung und Erzeugung von Wärme durch chemische Reaktionen zusätzlich zur sensiblen Wärme führt zu einer höheren volumetrischen Speicherkapazität innerhalb eines gegebenen Volumens der Speichermodule.The presented invention is aimed at solar thermal power plants (STKW), in which air is used as heat transfer fluid, with the aim of significantly increasing the off-sun discharge time compared to current durations. For this purpose, a transition from the current status, the use of sensible heat, to a thermochemical storage is suggested - as explained below, a closer look at a "sensitive thermochemical" hybrid storage can be made. The invention aims to bridge the "technological gap" of development and application of efficient thermochemical storage reactor / heat exchangers. The new concept provides for the use of cascaded structures as heat storage media, wherein the structures contain different redox oxides and in a certain way, according to their thermochemical characteristics and the local temperature of the heat transfer fluid, are arranged in space. This has the following advantages over other concepts for storing solar heat and the heat storage technologies used in such STCs: The use of thermochemical storage in addition to the common storage of sensible heat and the associated in-situ storage and generation of heat by chemical reactions in addition to the sensible heat results in a higher volumetric storage capacity within a given volume of memory modules.
Unter den möglichen chemischen Reaktionen mit wesentlichen thermischen Wirkungen ist es die Auswahl und Nutzung von chemischen Reaktionen mehrwertiger Redoxoxide mit Luft, die es erübrigt, gasförmige Reaktionsprodukte von Nichtoxidfeststoffen mit Luft, zum Beispiel Wasserdampf aus der Zersetzung von Hydroxiden oder Kohlendioxid aus der Zersetzung von Carbonaten, aus dem Luftstrom abzutrennen.Among the possible chemical reactions with significant thermal effects is the selection and use of chemical reactions of polyvalent redox oxides with air, which eliminates the need for gaseous reaction products of non-oxide solids with air, for example water vapor from the decomposition of hydroxides or carbon dioxide from the decomposition of carbonates, to be separated from the air stream.
Das Konzept umgeht außerdem die Verwendung eines eingebauten Wärmetauschers. Stattdessen können integrierte, luftbetriebene chemische Reaktor/Wärmetauscher-Einheiten verwendet werden. Das Konzept ist ideal zur Kopplung mit STKW geeignet, die offenvolumetrische keramische Wabenreceivertechnologien verwenden, da jenes das gleiche Wärmeträgermedium (Luft) nutzt, einen einfachen Aufbau hat und durch eine geeignete Auswahl von Speichermaterialien an die Betriebstemperaturen des Kraftwerks angepasst werden kann. Da es viele theoretisch brauchbare Oxid-Materialien gibt und damit auch viele thermochemische Prozesse zur Verfügung stehen, wobei jeder bei seiner bevorzugten Temperatur durchgeführt wird, ist die Temperaturbandbreite sehr groß. Dadurch ist es prinzipiell möglich, eine Kaskade ausgewählter Materialkombinationen einzusetzen, die auf die Temperaturen und Betriebsbedingungen der Sonnenkollektoren und des Kraftwerksblocks abgestimmt ist.The concept also avoids the use of a built-in heat exchanger. Instead, integrated, air-driven chemical reactor / heat exchanger units can be used. The concept is ideally suited for coupling with STKW, which use open-volumetric ceramic honeycomb cell technologies, since the same heat transfer medium (air) uses, has a simple structure and can be adapted by an appropriate choice of storage materials to the operating temperatures of the power plant. Since there are many theoretically useful oxide materials and thus many thermochemical processes are available, each being conducted at its preferred temperature, the temperature bandwidth is very large. This makes it possible in principle to use a cascade of selected combinations of materials, which is adapted to the temperatures and operating conditions of the solar panels and the power plant block.
Diese kaskadierte Redox-Material-Konfiguration ermöglicht die vollständige Ausnutzung der Heizleistung des Wärmeträgermediums über einen weiten Temperaturbereich hinweg.This cascaded redox material configuration allows full utilization of the heat output of the heat transfer medium over a wide temperature range.
Die kaskadierte Konfiguration ist unabhängig von der Art des ausgewählten Reaktors/Wärmetauschers und kann daher mit jeglicher Art von Reaktor/Wärmetauscher kombiniert werden – Schüttungen, Waben- und schaumbasierte Systeme ebenso wie Kombinationen dieser.The cascaded configuration is independent of the type of reactor / heat exchanger selected and thus can be combined with any type of reactor / heat exchanger - beds, honeycomb and foam based systems as well as combinations thereof.
Die Kombination eines kaskadierten Redox-Oxid-basierten thermochemischen-Speicherkonzepts mit einem Reaktor/Wärmetauscher-Design, welches eine große Menge an Redox-Material pro Volumen einschließt, kann die volumetrische Wärmeausbeute signifikant verbessern.The combination of a cascaded redox oxide-based thermochemical storage concept with a reactor / heat exchanger design that incorporates a large amount of redox material per volume can significantly improve volumetric heat yield.
Wenn das kaskadierte Oxid-Konzept mit einem geeigneten Wärmetauscher-Design kombiniert wird, wird der Kontakt zwischen Gasphase und fester Phase maximiert, wodurch Diffusionsbeschränkungen umgangen werden. Dies verbessert die Wärmedurchgangscharakteristik und erhöht den Wärmeübertrag, – transport und verbessert thermische Eigenschaften und Wärmerückgewinnungseigenschaften zwischen dem festen Speichermedium und dem gasförmigen Wärmeträgerfluid.When the cascaded oxide concept is combined with a suitable heat exchanger design, gas phase to solid phase contact is maximized, thereby bypassing diffusion limitations. This improves the heat transfer characteristic and increases the heat transfer, transport and improves thermal properties and heat recovery properties between the solid storage medium and the gaseous heat transfer fluid.
Das kaskadierte Oxid-Konzept wird idealerweise mit einem modularen Aufbau verbunden. Die chemische Zusammensetzung der Oxide kann dabei an die einzelnen Reaktor-/Wärmetauscher-Module angepasst werden, um somit hohe volumetrische Wärmespeicherkapazitäten bei gleichzeitig akzeptablem Druckverlust zu erhalten und damit den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren.The cascaded oxide concept is ideally combined with a modular design. The chemical composition of the oxides can be adapted to the individual reactor / heat exchanger modules, so as to obtain high volumetric heat storage capacities at the same time acceptable pressure loss and thus to maximize the overall efficiency.
Diese Modularität des Aufbaus kann eine Variation von Porositäten, nicht nur entlang, sondern auch quer zum Reaktorquerschnitt ermöglichen, um die radiale Geschwindigkeitsverteilung des Wärmeträgermediums zu homogenisieren und zu vergleichmäßigen. Das Gesamtresultat dieser einzelnen Aspekte ist die Möglichkeit, die Dauer des off-sun Betriebs (Entladung) von STKW wesentlich gegenüber der momentan erzielten Dauer zu erhöhen.This modularity of construction can allow a variation of porosities, not only along but also across the reactor cross-section, to homogenize and even out the radial velocity distribution of the heat transfer medium. The overall result of these individual aspects is the possibility of significantly increasing the duration of off-sun operation (discharge) of STKW compared to the currently achieved duration.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene Konzept einer auf Redox-Oxiden basierenden, kaskadierten, integrierten Reaktor/Wärmetauscher-Speichereinheit, die die chemische Reaktion und die Wärmeübertragzone in einem einzelnen Element verbindet, eine elegante, kompakte und effektive technische Lösung ist, welche viele der Nachteile und Beschränkungen gegenwärtiger Systeme überwinden kann und somit beste Chancen hat, in Großanlagen eingesetzt zu werden.In summary, the proposed concept of a redox oxide-based, cascaded, integrated reactor / heat exchanger storage unit that combines the chemical reaction and the heat transfer zone in one connecting a single element, is an elegant, compact and effective technical solution that can overcome many of the drawbacks and limitations of current systems and thus has the best chance of being used in large-scale facilities.
Ein großer Vorteil der Verwendung von Redox-Paaren aus multivalenten Festkörperoxiden als thermochemisches System unter den vorgeschlagenen Gas-Feststoff-Reaktionen für thermochemische Speicheranwendungen (siehe Reaktionen 2–4 oben) ist, dass bei diesen Reaktionen Luft sowohl als Wärmeträgermedium als auch als Reaktionspartner verwendet werden kann. Dadurch kann umgangen werden, dass CO2 komprimiert/gespeichert oder Wasser kondensiert/verdampft werden muss, wie dies bei anderen thermochemischen Speichern der Fall ist. Außerdem wird kein zusätzlicher Wärmetauscher benötigt. Daher lässt sich solch ein System optimal an CSP Turmkraftwerke koppeln, die volumetrische Receiver und Luft bei 650–900°C (oder höher) als Wärmeträgermedium bereitstellen.A major advantage of using multivalent solid oxide redox couples as a thermochemical system among the proposed gas-solid reactions for thermochemical storage applications (see reactions 2-4 above) is that air is used both as a heat transfer medium and as a reactant in these reactions can. This can be avoided that CO 2 must be compressed / stored or water condensed / vaporized, as is the case with other thermochemical storage. In addition, no additional heat exchanger is needed. Therefore, such a system can be optimally coupled to CSP tower power plants that provide volumetric receivers and air at 650-900 ° C (or higher) as a heat transfer medium.
Basierend auf dem oben Beschriebenen ist der Startpunkt der vorgestellten Erfindung das Beschichten der momentan verwendeten nicht-reaktiven wabenstrukturierter Oxid-Speichermodule mit einer Schicht aus Redox-Oxid – im Speziellen im oxidierten Zustand – beispielsweise eines derer, welche auf der linken Seite der Reaktionen (5–9) aufgeführt sind und die in der Lage sind, thermisch reduziert und oxidiert zu werden, innerhalb des Temperaturbereichs der vom Turmkraftwerk bereitgestellten Luft. Zum Beispiel für den Fall des Temperaturbereichs des STJ (680–120°C) wäre unter den genannten Reaktionen (5–9) MnO2 passend. Allerdings sind diese Temperaturbereiche nur beispielhaft und beziehen sich auf den momentanen Betrieb dieses speziellen solaren Turmkraftwerks.Based on what has been described above, the starting point of the present invention is to coat the currently used non-reactive honeycomb oxide oxide memory modules with a layer of redox oxide - especially in the oxidized state - for example one of those which is on the left side of the reactions (5 9), which are capable of being thermally reduced and oxidized within the temperature range of the air provided by the tower power plant. For example, in the case of the temperature range of the STJ (680-120 ° C), MnO 2 would be appropriate under the above reactions (5-9). However, these temperature ranges are exemplary only and refer to the current operation of this particular solar tower power plant.
Zukünftige solare Kraftwerke mit der gleichen volumetrischen Receivertechnologie werden Luft bei höheren Temperaturen bereitstellen können, wodurch weitere Oxide der Reaktionen (5–9), wie beispielsweise BaO2, Co3O4 usw. eingesetzt werden könnten.Future solar power plants with the same volumetric receiver technology will be able to provide air at higher temperatures, which would allow further oxides of reactions (5-9), such as BaO 2 , Co 3 O 4 , etc., to be used.
Zukünftige Solarkraftwerke mit der gleichen offenen volumetrischen Receivertechnologie können Heißluft bei noch höheren Temperaturen bereitstellen, wodurch andere Oxide aus den oben genannten Reaktionen (5–9), wie BaO2, Co3O4 usw. ebenfalls verwendet werden können. Dieses Konzept erhöht nicht das Volumen des Reaktors, wohingegen im Allgemeinen eine in Bezug auf die Wabenwände dünne Beschichtung keinen weiteren signifikanten Anstieg des Druckabfalls induziert. In dieser Konfiguration wird die Solarwärme zur thermischen Dissoziation der Redoxmaterialbeschichtung verwendet und schließlich als chemische Energie in dem ”reduzierten” Zustand des jeweiligen Oxid (z. B. Mn2O3 – Reaktion (5)) gespeichert, statt nur als sensible Wärme in einem chemisch inerten festen Medium (Träger) gespeichert zu werden. In dieser Hinsicht wird der momentan bestehende Wärmeüberträger zu einem integrierten, kompakten, chemischen Reaktor/Wärmetauscher umgewandelt.Future solar power plants with the same open volumetric receiver technology can provide hot air at even higher temperatures, allowing other oxides from the above reactions (5-9), such as BaO 2 , Co 3 O 4 , etc. also to be used. This concept does not increase the volume of the reactor whereas, in general, a thin coating with respect to the honeycomb walls does not induce any further significant increase in pressure drop. In this configuration, the solar heat is used for the thermal dissociation of the redox material coating and finally stored as chemical energy in the "reduced" state of the respective oxide (eg Mn 2 O 3 reaction (5)) instead of just as sensible heat in one chemically inert solid medium (carrier) to be stored. In this regard, the currently existing heat exchanger is converted to an integrated, compact, chemical reactor / heat exchanger.
Eine schematische Darstellung des zweistufigen Reaktionskonzeptes zwischen einem Oxidpartikel und einem Luft-Gasstrom wird in
Wenn dieses Konzept in einer offenen volumetrischen Luftreceiver CSP Anlage [a. a. O.] implementiert wird, wird während des on-sun Betriebes der Teil des ”heißen” Luftstroms, der auf den Speicherblock gerichtet ist (
Unter den verschiedenen, oben beschriebenen Methoden zur Speicherung von Wärmeenergie haben Latentwärmespeicher (LHS) durch Phasenwechselmaterialien (PCM) und thermochemische Speicher (TCS) mit Redox-Oxiden das gemeinsame Merkmal, dass sie isotherm funktionieren, d. h. entweder bei der Temperatur des Schmelzen/der Erstarrung des PCM bzw. bei der Redox (Reduktion/Oxidation) Temperatur des Redox-Oxid-Materials. Um das volle Potenzial der beiden Methoden zu nutzen, sollte die gesamte Masse/Volumen des Speichermediums oberhalb oder unterhalb dieser konstanten Temperatur liegen (während on- bzw. off-sun Betrieb). Mit anderen Worten, während der gesamten Dauer des on-sun Betriebs, muss die Wärme, die vom Wärmeübertragungsfluid auf das Speichermedium übertragen wird, nicht nur ausreichend sein, um die gesamte Masse des Speichermaterials zu schmelzen bzw. zu reduzieren, sondern auch um die gesamte Masse des Speichermaterials bei einer Temperatur über seinem Schmelzpunkt bzw. der Redox-Temperatur zu halten; wenn in einem räumlichen Bereich oder nach einiger Zeit die Temperatur unter den Schmelzpunkt bzw. der Redox-Temperatur des Wärmespeichermediums fällt, wird Erstarrung bzw. Oxidation auftreten und dieser Bereich des Speichermaterials wird unbrauchbar.Among the various methods of storing heat energy described above, phase change materials (PCCs) and redox oxide thermochemical storage (TCS) latent heat storage systems (LHSs) share the common feature that they are isothermal, i. H. either at the temperature of the melting / solidification of the PCM or at the redox (reduction / oxidation) temperature of the redox oxide material. In order to use the full potential of the two methods, the total mass / volume of the storage medium should be above or below this constant temperature (during on- or off-sun operation). In other words, throughout the duration of the on-sun operation, the heat transferred from the heat transfer fluid to the storage medium must not only be sufficient to melt or reduce the total mass of the storage material, but also the entire Keep mass of the storage material at a temperature above its melting point or the redox temperature; if the temperature falls below the melting point or the redox temperature of the heat storage medium in a spatial area or after some time, solidification or oxidation will occur and this area of the storage material will become unusable.
Daher könnte ein gemeinsames Problem beider Routen entstehen, wenn während on-sun Betriebs des Wärmeüberträgermediums, z. B. ein heißer Luftstrom mit einer bestimmten konstanten Temperatur von der solaren Wärmequelle, Wärme zum des Schmelzen bzw. der thermischen Reduktion zuführt. Da das PCM bzw. das Redox Oxidsystem kontinuierlich Wärme absorbiert, fällt zu einem bestimmten Zeitpunkt die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids im Ausgang des Speicher-Moduls unterhalb der Schmelz- bzw. der Reduktionstemperatur und die beiden Prozesse werden nicht weiter ablaufen. Dies könnte auch aufgrund von örtlichen Gegebenheiten (Wärmeverluste etc.) an einer anderen Stelle entlang der Masse des Speichermaterials passieren. Um dieses Problem zu lösen, wurde im Falle von LHS, das sogenannte ”Kaskadierte Latentwärmespeicher” (CLHS) Konzept vorgeschlagen. Die Idee ist PCM-Salze oder Gemische von Salzen mit steigender Schmelztemperatur zu kombinieren. Die PCMs sollten entsprechend ihrer Schmelztemperaturen von niedrigeren zu hohen Betriebstemperaturen hintereinander geschaltet werden, um die unterschiedlichen Eigenschaften des Übertragungsmediums und des Latentwärmespeichers abzustimmen. Insbesondere für Parabolrinnenkraftwerke, wurde unter anderem eine Kombination von 5(fünf)-Salzen in einer Reihe, wie in 5a gezeigt, diskutiert. Das Salz mit der höchsten Schmelztemperatur – in dem speziellen Beispiel eine eutektische Mischung aus MgCl2/KCl/NaCl – ist für das „heiße Ende” des CLHS (Speicher oben) ausgewählt worden und das Salz mit der niedrigsten – NaNO3 in dem speziellen Fall – für das „kalte Ende” (Speicher unten). Die Idee ist konzeptionell einfach: während des ”Ladens” (on-sun Betrieb) wird das ”heiße” Wärmeübertragungsfluid mit einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt des MgCl2/KCl/NaCl Gemisches in den Speicher geleitet um die notwendige Schmelzwärme bereitzustellen. Auch wenn das Wärmeübertragungsfluid schließlich aus dem MgCl2/KCl/NaCl ”Modul” des Speichers bei einer niedrigeren Temperatur kommt, ist diese Temperatur ausreichend, um die Schmelzwärme des zweiten Materials der Kaskade bereitzustellen und so weiter. Auf diese Weise wird eine bessere Auslastung der möglichen Phasenänderungen und einer gleichmäßigeren Austrittstemperatur erreicht. Das Konzept wurde experimentell und numerisch in einer Kaskade von drei PCMs bestätigt, nämlich PCM 1 = KNO3, PCM 2 = KNO3/KCl und PCM 3 = NaNO3, bei denen die positiven Effekte eines CLHS im Vergleich zu einem nicht in Reihe geschalteten LHS bestätigt wurden [a. a. O.]. Schematische Darstellung des Funktionsprinzips kaskadierte Latentwärmespeicher (CLHS) mit fünf Phase Change Materialien nach [a. a. O.], (b) Anpassung dieser Idee im Falle der thermochemischen Wärmespeicherung für den on-sun Betrieb: als beispielhafter kaskadierter thermochemischer Speicher (CTC) Konzeptes, welches drei Regionen mit drei verschiedenen Redox-Materialien entsprechend ihrer Eigenschaften in thermochemische Reaktionen (5)–(7) beinhaltet, kann dieses Konzept auf Festbett-, Waben-, Schaumstoff-Reaktoren als auch in jeder beliebigen Kombination der oben genannten angewendet werden (beispielhafte Anwendungen in
Waben und Schäume können mit dem Redox-Material entweder beschichtet oder komplett aus diesem hergestellt werden.Honeycombs and foams can either be coated with or completely made from the redox material.
Mit dem aktuellen Ansatz der Speicherung sensibler Wärme (Ansatz im STJ), ist die Temperaturverteilung innerhalb des Speichermediums nicht gleichmäßig, wie in
Unterschiedliche Oxid-Systeme können mit zunehmender Reduktions/Oxidationstemperatur von dem ”kalten” zum ”heißen Ende” kaskadiert werden. Eine beispielhafte schematische Darstellung des Bedienkonzeptes mit drei der vier Oxide aus den Reaktionen (5)–(9), wird in
Es soll an dieser Stelle betont werden, dass, wie in derselben Abbildung gezeigt wird, das erfinderische Konzept des kaskadierten thermochemischen Speichers (CTC), das hierin vorgeschlagen wird, unabhängig von der Konstruktion des Reaktors/Wärmetauscher gewählt werden kann und ebenso gut auf alle möglichen Reaktor/Wärmetauscher-Konzepte, die auf einem Festbett oder auf Waben bzw. Schaum basieren, sowie auf beliebige Kombination von ihnen angewendet werden kann.It should be emphasized at this point that, as shown in the same figure, the inventive concept of the cascaded thermochemical store (CTC) proposed herein can be chosen independently of the reactor / heat exchanger design and just as well to all possible ones Reactor / heat exchanger concepts based on a fixed bed or on honeycomb or foam, as well as any combination of them can be applied.
Die relevanten Vor- und Nachteile jeglicher Art von Wärmetauscherkonzept (d. h. von Festbetten, Waben, Schäumen) werden in großem Umfang in der freiverfügbaren Literatur beschrieben und sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Wärmetauscher bzw. Reaktoren oder Keramikherstellung bekannt. In Festbettreaktoren/Wärmetauscher werden die Wärmeübertragung und die Reaktionsgeschwindigkeiten durch kleine Partikelgrößen, die zwar einen höheren Druckabfall erzeugen, verbessert. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit der festen Partikel ist auch ein Problem, genauso wie Abrieb. Tatsächlich bieten die hoch-porösen keramischen Strukturen (wie monolithische Waben und Schäume) im Vergleich zu Festbetten die inhärenten Vorteile: dünne Wände, hohe geometrische Oberfläche, guter Gas-Feststoff-Kontakt, hoher Gasdurchsatz bei geringem Druckverlust, einfache Produkttrennung und Abscheidung. Wenn sie die notwendigen besonderen Materialeigenschaften wie Temperaturwechselbeständigkeit und mechanische Festigkeit besitzen, sind sie eine attraktive Alternative zu Festbetten. Beim Umgang mit Gas-Feststoff Reaktionen bei hohen Temperaturen sind diese ”strukturierten” katalytischen Systeme voll etabliert und die erste Wahl in einer Vielzahl von katalytischen Anwendungen, die bemerkenswertesten Beispiele sind Automobil-Abgasbehandlung und katalytische Verbrennung [
In dem besonderen Fall der thermochemischen Reaktionen in einem Gas-Feststoff-System ist ein Ansatz zur Maximierung der volumetrischen Wärmeausbeute, ein Festbett, welches komplett aus dem Redox-Material besteht, einzusetzen, anstelle einer lediglich mit dem Redoxmaterial beschichteten Wabenstruktur. In diesem Konzept wird die volumetrische Ausbeute der thermochemischen Wärme stark erhöht, da die gesamte Speichermasse an der chemischen Reaktion beteiligt ist, im Gegensatz zu den beschichteten Wabenkörpern, bei dem nur die dünne Beschichtung zur Absorption und zum Erzeugen von thermochemischer Wärme beteiligt ist. Auf der anderen Seite sind solche Festbetten für einen hohen Druckabfall bekannt, das führt zu einem hohen parasitären Verbrauch. Eine alternative Lösung, um eine hohe volumetrische Wärmeausbeute kombiniert mit einem geringen Druckverlust zu erreichen, ist die Herstellung von monolithischen ”strukturierten” porösen Reaktoren/Wärmetauscher, die viel weniger Druckverlust verursachen, als Waben oder Schäume, die vollständig aus dem Redox-Material gefertigt sind, z. B. sein aus einem Oxid das thermochemisch reduziert und oxidiert werden kann. Ein guter Ansatz, um eine zufriedenstellende Leistung mit verbessertem thermomechanischen volumetrischen Wärmeertrag zu erreichen ist, wie bereits beschrieben, eine chemisch inerte poröse keramische Trägerstruktur, wie eine Wabenstruktur oder ein Schaum, der mit dem Redox-Material beschichtet wurde. Solche inerten porösen Träger sind bereits im Handel erhältliche Produkte, die auf Materialien basieren, die als herstellbar gelten. In einem solchen Fall ähnelt das Konzept der Idee der ”zonalen Beschichtung” einer Keramikwabenstruktur in Autoabgasanlagen, nach einer Behandlung, die bereits oben beschrieben wurde.In the particular case of thermochemical reactions in a gas-solid system, one approach to maximizing volumetric heat yield is to employ a fixed bed made entirely of the redox material, rather than a honeycomb structure coated solely with the redox material. In this concept, the volumetric yield of thermochemical heat is greatly increased because the entire storage mass participates in the chemical reaction, unlike the coated honeycomb bodies, where only the thin coating is involved in absorption and thermochemical heat generation. On the other hand, such fixed beds are known for a high pressure drop, which leads to a high parasitic consumption. An alternative solution for achieving high volumetric heat yield combined with low pressure loss is the manufacture of monolithic "structured" porous reactors / heat exchangers which cause much less pressure loss than honeycombs or foams made entirely of the redox material , z. B. from an oxide which can be thermochemically reduced and oxidized. A good approach to having a satisfactory performance improved thermo-mechanical volumetric heat yield, as previously described, is a chemically inert porous ceramic support structure such as a honeycomb or foam coated with the redox material. Such inert porous supports are already commercially available products based on materials considered to be manufacturable. In such a case, the concept is similar to the idea of "zonal coating" of a ceramic honeycomb structure in automobile exhaust systems after a treatment already described above.
Die Modularität der Konstruktion unterstützt die Umsetzung aus einer Kombination der drei oben genannten Konzepte in der gleichen Kaskade. Ein bestimmtes Material, das durch hohe Wärmeeffekte gekennzeichnet ist, wie zum Beispiel Co3O4, das theoretisch genutzt werden kann, aber andererseits nicht als starre, stabile und strukturierte Formen wie Wabenstrukturen oder Schäume aufgrund technischer Herausforderungen zu fertigen ist, kann in Form eines Festbetts eingesetzt werden. Richtig ausgelegt kann so eine hohe volumetrische Wärmespeicherkapazität mit akzeptablem Druckabfall (schematisches Beispiel in
Die Modularität des Aufbaus ermöglicht viele Freiheitsgrade in Bezug auf das Design. Die kleineren Module der Wabenstrukturen bzw. der Schäume können aus unterschiedlichen Oxiden mit der jeweils gleichen Extrudier- bzw. Repliziertechnike und jeweils gleichen Werkzeugen hergestellt werden – nur die Sintertemperaturen werden unterschiedlich sein. Sie können in einer geeigneten Abfolge großmaßstäblich angeordnet werden.The modularity of the structure allows many degrees of freedom in terms of design. The smaller modules of the honeycomb structures or of the foams can be produced from different oxides with the same respective extrusion or replication technique and in each case identical tools - only the sintering temperatures will be different. They can be arranged in a suitable sequence on a large scale.
Festbetten mit kleinmaßstäblich geformten Körpern aus Redoxmaterial wie kleine Kugeln, Sattelkörper etc. können anstelle von feinkörnigen Pulvern verwendet werden. Tatsächlich gibt es für Wärmespeicher mittels Festbett – obschon es in einigen Anwendungen wie Abgasreinigung mit Regenerativbrennern genutzt wird – kein großmaßstäbliches industriell genutztes Analogon. Darüber hinaus bietet die Modularität des Aufbaus die Möglichkeit, die Porosität nicht nur in Fließrichtung des Fluids, sondern auch senkrecht zur Strömungsrichtung so zu variieren, dass Geschwindigkeitsprofile des Fluids homogenisiert und geglättet werden. Zum Beispiel können Wabenstrukturen mit unterschiedlicher Kanaldichte (Kanäle pro Quadratinch – cpsi) oder Schäume mit unterschiedlicher Porosität (Poren pro Inch – ppi) über den Reaktorquerschnitt verteilt werden (z. B. höhere Porosität am Reaktorrand und kleinere Porosität im Reaktorzentrum, um ein homogenes Geschwindigkeitsprofil des Luftstroms im Reaktor zu erzielen). Auf jeden Fall kann dieser Konzept ideal mit dem Bauprinzip der Modularität, wie weiter oben erwähnt, verknüpft werden.Fixed beds with small-scale bodies of redox material such as small balls, calipers, etc. can be used instead of fine-grained powders. In fact, for fixed-bed heat storage - although it is used in some applications such as flue gas cleaning with regenerative burners - there is no large-scale industrial analogue. In addition, the modularity of the structure offers the possibility of varying the porosity not only in the direction of flow of the fluid but also perpendicular to the flow direction so that the velocity profiles of the fluid are homogenized and smoothed. For example, honeycomb structures with different channel density (channels per square inch-cpsi) or foams with different porosity (pores per inch-ppi) can be distributed across the reactor cross-section (e.g., higher porosity at the reactor rim and smaller reactor center porosity for a homogeneous velocity profile to achieve the air flow in the reactor). In any case, this concept can ideally be linked to the construction principle of modularity, as mentioned above.
Ein weiterer Vorteil dieses Bauprinzips ist, dass innerhalb der stufenweisen Abfolge verschiedene (auch nicht-thermochemische) Typen von solaren Wärmespeichern kombiniert werden können. Tatsächlich ist es offensichtlich, dass einzelne Stufen der Kaskade mit Phasenwechselmaterialien oder inerten Materialien, die nur latente oder sensible Wärme speichern, bestückt werden können. Dadurch kann ein deutlich breiteres Spektrum an Materialien eingesetzt und ausgewählt werden, um das Temperaturverlaufsprofil des Speichersystems ideal zu „treffen”.Another advantage of this construction principle is that different (also non-thermochemical) types of solar heat accumulators can be combined within the stepwise sequence. In fact, it is apparent that individual stages of the cascade can be populated with phase change materials or inert materials that store only latent or sensible heat. This allows a much wider range of materials to be used and selected to ideally match the temperature profile of the storage system.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass aus einer allgemeinen Sicht die gesamte stufenweise Speicherabfolge, die sich aus verschiedenen Redoxmaterialien zusammensetzt, als riesiger Reaktor oder Wärmetauscher mit einer räumlichen 3-dimensionalen Differenzierung an Funktionsmaterialien und an Struktureigenschaften veranschaulicht werden kann. Das modulare Bauprinzip ist schematisch in Bild 6 (a) für Reaktor- oder Wärmetauscherkonzepte mit unstrukturierten Materialien (Festbett) und Bild 6 (b) mit strukturierten Materialien (Wabenstrukturen oder Schäume) veranschaulicht.In summary, from a general point of view, the entire incremental storage sequence composed of various redox materials can be illustrated as a giant reactor or heat exchanger with 3-dimensional spatial differentiation of functional materials and structural properties. The modular construction principle is illustrated schematically in Figure 6 (a) for reactor or heat exchanger concepts with unstructured materials (fixed bed) and Figure 6 (b) with structured materials (honeycomb structures or foams).
Im letztgenannten Fall können die Strukturen entweder in Gänze aus dem Redoxmaterial gefertigt sein oder ein inerter Grundkörper mit demselben Material beschichten sein. Schematische Darstellung der Modularität des Aufbaus einer vollständigen thermochemischen Speichereinheit, adaptiert nach
Die wichtigste Anwendung der Erfindung ist die Verbesserung des Betriebsverhaltens, der Flexibilität und der Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung mittels CSP und im speziellen mittels Solarturmsystemen, die Luft als Wärmeträgermedium verwenden. Die erste großtechnische Anlage dieser Art, das Versuchs- und Demonstrationskraftwerk Solarturm Jülich, wurde 2005 in Betrieb genommen und hat bereits einen Zustand erreicht, in dem es teilkommerziell betrieben wird.The most important application of the invention is to improve the performance, flexibility and economy of power generation by means of CSP and in particular by means of solar tower systems using air as the heat transfer medium. The first large-scale plant of this type, the experimental and demonstration power plant Solarturm Jülich, was put into operation in 2005 and has already reached a state in which it is operated partly commercially.
Die Bedeutung eines effizienten thermischen Speichersystems für die Realisierung der weiteren technischen und kommerziellen Entwicklung solcher Anlagen darf nicht unterschätzt werden. CSP hat systemimmanent die Möglichkeit, Wärme für eine spätere Nutzung der Elektrizitätserzeugung kurzfristig zu speichern.The importance of an efficient thermal storage system for the realization of the further technical and commercial development of such systems should not be underestimated. CSP systemically has the ability to store heat for later use of electricity generation in the short term.
CSP Anlagen mit großen Speicherkapazitäten vermögen Solarstrom für die Grundlastversorgung Tag und Nacht herzustellen. Dadurch wird es für emissionsfreie CSP Anlagen möglich, mit Kohlekraftwerken, die einen enormen CO2-Ausstoß haben, zu konkurrieren. Ein gegenwärtiges Augenmerk der Industrie ist es, die Betriebstemperatur von CSP Anlagen deutlich zu erhöhen, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen und Speicherkosten zu senken. Verbesserte Wärmespeicher würden helfen, Produktionskapazitäten zu sichern und die Produktion auszuweiten. Es würden sogar solare Grundlastkraftwerke ermöglicht.CSP systems with large storage capacities are capable of producing solar power for basic load supply day and night. It will For emission-free CSP plants, it is possible to compete with coal-fired power plants that have enormous CO 2 emissions. A current industry focus is to significantly increase the operating temperature of CSP plants to increase overall efficiency and reduce storage costs. Improved heat storage would help to secure production capacity and expand production. It would even allow solar base load power plants.
Die Erfindung, die darauf abzielt, die Dauer des Betriebs solcher Anlagen ohne Sonne über die zurzeit bestehender Grenzen hinaus auszudehnen, stimmt vollends mit den vorgenannten Zielsetzungen überein. Ihre Realisierung würde enorme Auswirkungen auf die weitere Entwicklung und Vermarktung solcher Anlagen haben. Die Erfindung bringt einige innovative Ansätze ins Spiel, die sowohl die verwendeten Materialien als auch das Designkonzept für die technische Realisierung adressieren. Die Verwendung von Redoxmaterialien zur Energiespeicherung bringt – für den Fall, dass noch einige technologische Hürden bei der weiteren Entwicklung überwunden werden – eine Reihe hervorstechender Vorteile gegenüber dem derzeitigen „Standard” im Bereich der Speicherung mit.The invention, which aims to extend the duration of operation of such installations without sun beyond the present limits, is fully in line with the above objectives. Their realization would have a huge impact on the further development and marketing of such facilities. The invention brings some innovative approaches into play, which address both the materials used and the design concept for the technical realization. The use of redox materials for energy storage brings with it a number of salient advantages over the current "storage standard" in the event that some technological hurdles are overcome in further development.
Die vorgeschlagenen Innovationen und dazugehörige Rückfalloptionen zielen darauf ab, die noch bestehenden Schwächen der Technologie zu eliminieren, so dass eine Heranführung des Konzepts an eine Aufskalierung und industrielle Umsetzung kurz- bis mittelfristig möglich wird.The proposed innovations and associated fallback options aim to eliminate the remaining weaknesses of the technology so that the concept can be brought into line with scaling up and industrial implementation in the short to medium term.
Das vorgeschlagene gänzlich modulare Konzept eines stufenweisen Wärmespeichers, ist vollständig geeignet für eine künftige Aufskalierung der Technologie für eine industrielle Anwendung. In der Tat kann die Ausnutzung der Redox-Eigenschaften der Mischoxide kombiniert mit der Möglichkeit, sie zu robusten, kompakten und effizienten Wäremtauscherstrukturen zu formen und kombiniert mit der Möglichkeit sie mit weiteren komplementären Modulen aus Latentwärmespeichern und Speichern von sensibler Wärme zu ergänzen, zu der Verwirklichung einer Lösung für hocheffiziente Speicherung von Solarwärme führen. Eine drastische Kostenreduktion ist so für den Speicher zu erwarten, die sich vor allem aus der Kompaktheit und dem Wirkungsgrad des vorgeschlagenen Speicherkonzepts ergibt.The proposed entirely modular concept of a staged heat accumulator is fully suitable for future scaling up of the technology for industrial application. In fact, the exploitation of the redox properties of the mixed oxides combined with the ability to form them into robust, compact and efficient heat exchanger structures, combined with the possibility of complementing them with other complementary modules of latent heat storage and storage of sensible heat, can be realized a solution for highly efficient storage of solar heat. A drastic cost reduction is to be expected for the memory, which results mainly from the compactness and the efficiency of the proposed storage concept.
Die vorgeschlagene Technologie stellt einen Mehrwert für alle Solarturmsysteme dar, weil durch ein geringes Plus an Investitionskosten ein effektives Speichern von Solarenergie ermöglicht wird. Dadurch wird die Übereinstimmungsproblematik von Solarenergieangebot und Stromnachfrage gelöst und ein Weg zu einer vollständig flexiblen Stromerzeugung aus Solarenergie geebnet. Das Konzept der vorliegenden Erfindung, eine stufenweise Anordnung aufeinanderfolgender oxidischer Materialien zu nutzen und im Strömungsweg des wärmeübertragenden Mediums zu platzieren, kann auch in anderen industriellen Prozessen kommerzielle Anwendungen finden, wo solche Funktionsmaterialien kostengünstige Keramiken wie Übergangmetalloxide sind. Solche Anwendungen können Redoxreaktionen bei relativ hohen Temperaturen beinhalten, wo Sauerstofftransfer stattfindet.The proposed technology represents an added value for all solar tower systems, because a small increase in investment costs enables effective storage of solar energy. This solves the problem of compliance of solar energy supply and electricity demand and paves the way for fully flexible generation of electricity from solar energy. The concept of the present invention of utilizing a staged arrangement of successive oxide materials and placing them in the flow path of the heat transfer medium may also find commercial applications in other industrial processes where such functional materials are inexpensive ceramics such as transition metal oxides. Such applications may involve redox reactions at relatively high temperatures where oxygen transfer takes place.
Ein dezidiertes Anwendnungsbeispiel ist die Chemical Looping Combustion (die Verbrennung von Brennstoffen mit inhärenter Trennung von CO2 und N2 unter der Nutzung von oxidischen Redoxmaterialien) [
Eine mögliche Kombination der stufenweisen Anordnung mit speziellen Strukturkonzepten zur Erhöhung der volumen-bezogenen Speicherdichte und Sauerstoffausbeute, die dadurch erzielt wird, dass die größtmögliche Menge an Sauerstoff innerhalb eines gegebenen Reaktorvolumens ausgenutzt wird, wird noch vorteilhafter, wenn die Redoxmaterialien zu geeignet strukturierten Objekten geformt werden. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Objekte an chemischen Reaktionen partizipieren müssen, während sie ihre Struktur und mechanische Stabilität so weit wie möglich beibehalten sollen.A possible combination of the staged arrangement with specific structural concepts to increase the volume-related storage density and oxygen yield achieved by exploiting the largest possible amount of oxygen within a given reactor volume becomes even more advantageous when the redox materials are formed into suitably structured objects , The challenge is that these objects must participate in chemical reactions while maintaining their structure and mechanical stability as much as possible.
Die meisten Probleme bei der Implementierung dieses Ansatzes im großen Maßstab resultieren aus der möglichen Unverträglichkeit zwischen der Beschaffenheit der Bestandteile der Speichermaterialien und den Werkzeugen und Methoden die nötig sind, aus diesen Materialien chemisch aktive und gleichzeitig mechanisch stabile 3-dimensionale Strukturen zu fertigen.Most problems in implementing this approach on a large scale result from the potential incompatibility between the nature of the constituents of the storage materials and the tools and methods required to fabricate chemically active and mechanically stable 3-dimensional structures from these materials.
Diese Schwierigkeit kann durch die Anwendung des modularen Bauprinzips gemeistert werden, die es ermöglicht, großmaßstäbliche Systeme aus kleinen Elementareinheiten von Porenkörpern zu fertigen und gruppenweise gemeinsam in einem Gehäuse anzuordnen, so dass mechanische und thermische Spannungen minimiert werden. Dadurch erhält man ein intelligentes Design, das montier- und wartungsfreundlich ist und im Fall von Materialversagen oder Materialdegradation den Ausbau und den Austausch von einzelnen Modulen unabhängig von den anderen Modulen leicht möglich macht ohne das Gesamtsystem wesentlich zu beeinflussen. Weitere Anwendungen können – wie bereits weiter oben erwähnt – Prozesse zur solar-thermochemischen Herstellung von solaren Brennstoffen bei hohen Temperaturen sein, vorausgesetzt dass es gelingt, kostengünstige Oxide zu entwickeln, die in der Lage sind Wasser und/oder CO2 thermochemisch zu spalten und die in Luft reduziert werden können.This difficulty can be overcome by the application of the modular construction principle, which makes it possible to manufacture large-scale systems from small elementary units of pore bodies and to arrange them together in groups in a housing, so that mechanical and thermal stresses are minimized. This results in an intelligent design that is easy to assemble and maintain and, in the case of material failure or material degradation, makes it easy to disassemble and replace individual modules independently of the other modules To significantly influence the overall system. Further applications may be - as already mentioned above - processes for the solar-thermochemical production of solar fuels at high temperatures, provided that it is possible to develop cost-effective oxides that are capable of thermochemically cleaving water and / or CO 2 and the can be reduced in air.
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