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 [ IEA Technology Roadmap Concentrating Solar Power, (2010) ]: die Solarstrahlung wird von Spiegeln, die der Sonne nachgeführt werden, auf einen Fokus konzentriert. Dadurch wird Wärme bei mittlerer bis hoher Temperatur bereitgestellt. Um die auf diese Weise gewonnene hochexergetische thermische Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln, wird ein Wärmetauscher (Strahlungsempfänger) verwendet, der im Fokus der konzentrierten Strahlung liegt. In dem Receiver wird ein Wärmeträgermedium (Luft, Wasser, Thermoöl, Natrium oder Salzschmelze) zunächst solar erhitzt. Die dadurch erhöhte Enthalpie des Wärmeträgermediums wird anschließend zur Dampferzeugung genutzt, um einen konventionellen Kraftwerksprozess zu betreiben (Rankine-, Brayton- oder Stirlingprozess). Direkte Solarstrahlung kann von einer Reihe von verschiedenen solarthermischen Kraftwerkstechnologien konzentriert werden, z. B. von Parabolrinnen-, Turm- und Dish-Systemen.Electrical energy can be obtained from solar radiation in the following way [ IEA Technology Roadmap Concentrating Solar Power, (2010) ]: The solar radiation is focused on a focus by mirrors that track the sun. This provides heat at medium to high temperature. In order to convert the high-energy thermal energy obtained in this way into mechanical work, a heat exchanger (radiation receiver) is used, which is the focus of the concentrated radiation. In the receiver, a heat transfer medium (air, water, thermal oil, sodium or molten salt) is first heated solar. The resulting increased enthalpy of the heat transfer medium is then used to generate steam in order to operate a conventional power plant process (Rankine, Brayton or Stirling process). Direct solar radiation may be concentrated by a number of different solar thermal power plant technologies, e.g. B. parabolic trough, tower and dish systems.

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 [ A. Gil, M. Medrano, I. Martorell, A. Lazaro, P. Dolado, B. Zalba, L. F. Cabeza, State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation. Part 1 – Concepts, materials and modellization, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, 31–55, (2010) ].There are three ways to convert thermal energy storage, depending on how the heat is stored: sensible heat storage, latent heat storage and thermochemical heat storage, the latter referring to heat required by a reversible endothermic chemical reaction [ A. Gil, M. Medrano, I. Martorell, A. Lazaro, P. Dolado, B. Zalba, LF Cabeza, State of the art on high temperature thermal energy storage for power generation. Part 1 - Concepts, Materials and Modeling, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, 31-55, (2010) ].

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 [ R. Tamme, Thermal energy storage for large scale CSP plants, Solar Power Generation Conference, Barcelona, (2009) ] oder Gusskeramiken verwendet werden können.With sensible heat storage, thermal energy can be absorbed by temperature changes from a storage medium. Sensitive thermal storage consists of a storage medium, a container (usually a tank), an inlet and an outlet. During on-sun operation, part of the solar-heated heat transfer medium is used to increase the temperature of the storage medium. During off-sun operation, the cold heat transfer medium flows back through the still hot storage medium and is thus brought to a temperature level sufficient for the operation of the steam cycle. The storage tanks must on the one hand contain the storage medium and on the other hand minimize the heat loss to the environment (provide isolation). Fixed storage media are typically designed as fixed beds, whereby a further heat transfer medium is needed. When this medium is a liquid, the heat capacity of both the solid and the liquid is not negligible and the system is called a "dual storage" system. One advantage of "dual storage" systems is that low cost materials such as stone, sand, high temperature concrete [ R. Tamme, CSP plants, Solar Power Generation Conference, Barcelona, (2009) ] or cast ceramics can be used.

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 [ SOLUCAR. PS10: A 11.0 MWe solar tower power plant with saturated steam receiver. Internal report; (2006) ]. Es besteht aus vier Tanks, die je nach Ladungszustand nacheinander betrieben werden. Die andere industriell genutzte, ausgereifte Speichertechnologie ist der Flüssigsalzspeicher mit zwei Tanks. Diese Technologie wird von solarthermischen Kraftwerken wie ANDASOL (1–3 50 MW Parabolrinnenkraftwerke in Südspanien), ARCHIMEDE (Parabolrinnenkraftwerk) und GEMASOLAR (17 MW Solarturmkraftwerk) eingesetzt. Salzschmelzen werden dabei in zwei Tanks gespeichert, einem heißen und einem kalten Tank [ http://www.estelaolar.eu/index.php?id=32 ]. Salz, das in den heißen Tank zur Speicherung geleitet wird, wird vorher mittels eines Wärmetauschers erhitzt. Wenn Wärmeentnahme aus dem Speicher nötig ist, wird das Salz über denselben Wärmetauscher zurückgeführt, wobei es ein Öl auf knapp 400°C aufheizt.At present only two different storage technologies are used in medium and large solar thermal power plants. The PS10 (10 MW) power plant in Solucar near Seville / Spain uses the steam accumulator concept, meaning that sensible heat is stored in pressurized, liquid water. At full load, part of the steam generated is used to charge the storage system [ Solúcar. PS10: A 11.0 MWe solar tower power plant with saturated steam receiver. Internal report; (2006) ]. It consists of four tanks, which are operated one after the other, depending on the state of charge. The other industrially used, mature storage technology is the liquid salt storage tank with two tanks. This technology is used by solar thermal power plants such as ANDASOL (1-3 50 MW parabolic trough power plants in southern Spain), ARCHIMEDE (parabolic trough power plant) and GEMASOLAR (17 MW Solar tower power plant). Salt melts are stored in two tanks, one hot and one cold [ http://www.estelaolar.eu/index.php?id=32 ]. Salt, which is fed into the hot tank for storage, is previously heated by means of a heat exchanger. When heat is required from the storage tank, the salt is returned through the same heat exchanger, heating an oil to just under 400 ° C.

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 ( ). Dort wird ein offener volumetrischer Receiver, der vom DLR entwickelt wurde, eingesetzt. Solch ein Receiver besteht aus Siliciumcarbid-Wabenstrukturen ( ) [ S. Zunft, M. Hänel, M. Krüger, V. Dreißigacker, High-temperature heat storage for air-cooled solar central receiver plants: A design study, Proceedings of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Berlin, Germany, September 15th–18th, (2009) .].Sensitive heat accumulators are also the preferred storage technology for solar towers, which use air as the heat transfer medium. An example of this is the solar tower Jülich (STJ), which was put into operation in 2009 ( ). An open volumetric receiver developed by the DLR is used there. Such a receiver is made of silicon carbide honeycomb structures ( ) [ S. Zunft, M. Hänel, M. Krüger, V. Dreißigacker, High-temperature Heat Storage for Air-Cooled Solar Central Receiver Plants: A Design Study, Proceedings of 15th International Solar PACES Concentrating Solar Power Symposium, Berlin, Germany, September 15th -18th, (2009) .].

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 ( ) und ist einem industriellen Regenerativbrennersystem ähnlich [ S. Zunft, M. Hänel, M. Krüger, V. Dreißigacker, F. Göhring, E. Wahl, Jülich Solar Power Tower – experimental evaluation of the storage subsystem and performance calculations, Proceedings of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, Frankreich , 21th–24th September, (2010) ].With this type of storage solution, which is used in various industrial applications, is a gaseous heat transfer medium, eg. Air, in direct contact with a solid storage medium and exchanges heat as it flows along a flow path through the storage medium. The completely realized storage solution consists of a rectangular housing of 7 m × 7 m × 6 m ( ) and is similar to an industrial regenerative burner system [ S. Zunft, M. Hänel, M. Krüger, V. Dreißigacker, F. Göhring, E. Wahl, Jülich Solar Power Tower - Prospects of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan , France, 21th-24th September, (2010) ].

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 (1(d)), um eine große Wärmeaustauschfläche zwischen der Luft und dem festen Speichermedium bereitzustellen. Das Gesamtvolumen des Inventars beträgt 120 m3. Die Volllastentladungsdauer dieses Wärmespeichers ist auf etwa 1,5 Stunden begrenzt. Das Speichersystem ist in dem Solarturm in der Nähe zu dem Receiver und dem Dampferzeuger integriert. Bei Nennbetriebsbedingungen wird das Speicher-System zwischen 120 und 680°C gefahren, d. h. während Sonnenbetrieb wird ”heiße” Luft aus dem Solarturm an den Eintritt des Speichermediums mit einer Temperatur von etwa 680°C geliefert und verlässt am Austritt am unteren Rand das Speichermedium mit einer Temperatur von etwa 120°C ab (1(b)). Somit kann die Temperatur des Speichermediums (und damit auch der Luft, die dadurch fließt) während des on-sun Betriebs (”Laden”) qualitativ wie in 1(f) dargestellt beschrieben werden – mit dem oberen Bereich, der die heißeren Zonen zeigt und dem unteren Bereich, der die kälteren Zonen zeigt. Während des off-sun Betriebs wird der Luftstrom umgekehrt: ”kalte” Luft wird durch das untere Ende des Speichermediums eingeführt, um dadurch aufgeheizt zu werden, während sie in Richtung des bereits ”heißeren” oberen Ende des Speicher fließt, bevor sie wieder in den Elektrizitätserzeugungsblock eingeführt wird. Im Prinzip ist die Technologie für atmosphärische Systeme und druckbeaufschlagte Systemen anwendbar.Instead of a monolithic design, the memory is divided into four equal sized chambers, which operate in parallel and are connected by a dome and connecting tubes. Each chamber is filled with a series of building blocks of ceramic storage material in the form of honeycomb structures ( 1 (d) ) to provide a large heat exchange area between the air and the solid storage medium. The total volume of the inventory is 120 m 3 . The full load discharge duration of this heat accumulator is limited to about 1.5 hours. The storage system is integrated in the solar tower near the receiver and the steam generator. At nominal operating conditions, the storage system is operated between 120 and 680 ° C, ie during solar operation, "hot" air from the solar tower is supplied to the inlet of the storage medium at a temperature of about 680 ° C and leaves at the outlet at the bottom of the storage medium a temperature of about 120 ° C ( 1 (b) ). Thus, the temperature of the storage medium (and thus also the air that flows through it) during the on-sun operation ("charging") can be qualitatively as in 1 (f) with the upper area showing the hotter zones and the lower area showing the colder zones. During off-sun operation, the airflow is reversed: "cold" air is introduced through the lower end of the storage medium to thereby be heated as it flows toward the already "hotter" upper end of the storage before returning to the storage compartment Electricity generating block is introduced. In principle, the technology is applicable to atmospheric systems and pressurized systems.

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) [ D. Laing, R. Tamme, W. D. Steinmann, PCM storage for process heat applications, 1st Annual Conference of the European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling, Bilbao, 23–24/02/2010 .].Alternatively, thermal energy can be stored almost isothermally with latent heat storage material (LHS) by means of a series of substances by the latent heat to a Phase change, such as the heat of fusion in the solid-liquid transition or how the heat of vaporization in the liquid-vapor transition, is used. The overall concept of storage using latent heat is the same as for solid state storage; the difference is that with latent heat storage, the solar heat provided during solar operation is not used to increase the temperature of the heat storage medium, but to melt it; the same amount of heat can be recovered by solidifying the heat storage medium during off-sun operation. For this process to be used, the storage material should have a melting temperature in the range of loading and unloading temperatures of the HTF; Substances used are called Phase Change Material (PCM). Material candidates for latent heat storage are salts (NaNO 3 / KNO 3 ) [ D. Laing, R. Tamme, WD Steinmann, PCM storage for process heat applications, 1st Annual Conference of the European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling, Bilbao, 23-24 / 02/2010 .].

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) [ K. Lovegrove, A. Luzzi, I. Soldiani, H. Kreetz, Developing ammonia based thermochemical energy storage for dish power plants, Solar Energy, 76, 331–337, (2004) ], eine andere Kategorie adressiert Gas-Feststoff-Zersetzungsreaktionen, deren typischste Beispiele die Zersetzung von von Metallhydroxiden (Reaktion 2), Carbonaten (Reaktion 3) und Oxiden (Reaktion 4) sind [ W. E. Wentworth and E. Chen, Simple thermal decomposition reactions for storage of solar thermal energy, Solar Energy, 18, 205–214, (1976) ; F. Schaube, A. Wörner, R. Tamme, High temperature thermo-chemical heat storage for CSP using gas-solid reactions, Proceedings of 16th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st–24th, (2010) ]. NH3 + ΔH ↔ ½N2 + 3/2H2 (1) ΔH = 49 kJ/molreact Ca(OH)2 + ΔH ↔ CaO + H2O (2) ΔH = 100 kJ/molreact CaCO3 + ΔH ↔ CaO + CO2 (3) ΔH = 167 kJ/molreact Co3O4 + ΔH ↔ 3CoO + 1/2O2 (4) ΔH = 200 kJ/molreact Thermochemical storage concepts have not yet reached this stage of development. They rely on the use of the heat of reaction of reversible chemical reactions for the "storage" of solar heat. This type of storage requires that the chemical reactions involved be completely reversible. The working principle is as follows: the heat generated by the solar receiver during on-sun operation is used to power an endothermic chemical reaction; if the reaction is completely reversible, the thermal energy can be fully recovered by the reverse reaction that occurs during off-sun operation). The heat is released at a constant temperature defined by the reaction equilibrium. Several reversible reactions with high heat of reaction have been proposed for this application: a category includes only gaseous starting materials and products such. B. ammonia dissociation (reaction 1) [ K. Lovegrove, A. Luzzi, I. Soldiani, H. Kreetz, Developing ammonia based thermochemical energy storage for dish power plants, Solar Energy, 76, 331-337, (2004) ], another category addresses gas-solid decomposition reactions, the most typical of which are the decomposition of metal hydroxides (reaction 2), carbonates (reaction 3) and oxides (reaction 4) [ WE Wentworth and E. Chen, Simple thermal decomposition reactions for storage of solar thermal energy, Solar Energy, 18, 205-214, (1976) ; F. Schaube, A. Wörner, R. Tamme, High-temperature thermo-chemical heat storage for CSP using gas-solid reactions, Proceedings of 16th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st-24th, (2010) ]. NH 3 + ΔH ↔ 1/2 N 2 + 3 / 2H 2 (1) ΔH = 49 kJ / mol react Ca (OH) 2 + ΔH ↔ CaO + H 2 O (2) ΔH = 100 kJ / mol react CaCO 3 + ΔH ↔ CaO + CO 2 (3) ΔH = 167 kJ / mol react Co 3 O 4 + ΔH ↔ 3CoO + 1 / 2O 2 (4) ΔH = 200 kJ / mol react

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 [ B. Wong, L. Brown, F. Schaube, R. Tamme, C. Sattler, Oxide based thermochemical heat storage, Proceedings of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st–24th, (2010) ; General Atomics, Thermochemical Heat Storage for Concentrated Solar Power Based on Multivalent Metal Oxides, CSP Program Review, 18th May, (2011) .].As already mentioned, of the proposed gas-solid reactions for the thermochemical storage applications (reactions 2-4 above), the use of reactions of redox pairs of polyvalent solid oxides has several advantages that make them attractive for large-scale use [ B. Wong, L. Brown, F. Schaube, R. Tamme, C. Sattler, Oxide-based thermochemical heat storage, Proceedings of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st-24th, (2010) ; General Atomics, Thermochemical Heat Storage for Concentrated Solar Power Based on Multivalent Metal Oxides, CSP Program Review, 18th May, (2011) .].

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.]: 4MnO2 + ΔH 2Mn2O3 + O2 (5) T = 30°C ΔH = 42 kJ/molreact 2BaO2 + ΔH 2BaO + O2 (6) T = 690°C ΔH = 81 kJ/molreact 2Co3O4 + ΔH 6CoO + O2 (7) T = 870°C ΔH = 202 kJ/molreact 6Mn2O3 + ΔH 4Mn3O4 + O2 (8) T = 1000°C ΔH = 32 kJ/molreact 4CuO + ΔH 2Cu2O + O2 (9) T = 1030°C ΔH = 64 kJ/molreact Several oxide-based thermochemical redox reactions are accompanied by a high degree of heat release and are therefore in principle able to store and release the heat. Potential material candidates in the interesting temperature range are BaO 2 , Co 3 O 4 , Mn 2 O 3 , CuO, Fe 2 O 3 , and mixed oxides of these systems. The following exemplary reaction schemes are sorted by increasing oxidation / reduction temperature [aa O]: 4MnO 2 + ΔH 2Mn 2 O 3 + O 2 (5) T = 30 ° C ΔH = 42 kJ / mol react 2BaO 2 + ΔH 2BaO + O 2 (6) T = 690 ° C ΔH = 81 kJ / mol react 2Co 3 O 4 + ΔH 6CoO + O 2 (7) T = 870 ° C ΔH = 202 kJ / mol react 6Mn 2 O 3 + ΔH 4Mn 3 O 4 + O 2 (8) T = 1000 ° C ΔH = 32 kJ / mol react 4CuO + ΔH 2Cu 2 O + O 2 (9) T = 1030 ° C ΔH = 64 kJ / mol react

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 dargestellt. zeigt die netzartige Struktur von Schäumen.Currently, TCS concepts are being studied in nationally and internationally funded research projects. Among other things, CSP-related research institutions are involved, which are working to demonstrate this concept, at least for special reaction systems, in a pilot plant with corresponding storage units. The concept of coating ceramic, monolithic, porous structures with solid active material -. B. catalysts - to improve high-temperature gas-solid reactions has long been used on an industrial scale. The best example of this is ceramic honeycomb bodies coated with high surface area oxide ("primer") catalyst material, a technique used in three-way diesel particulate filter (DPF) catalysts in any automotive exhaust system , An alternative to honeycomb bodies, before being catalytically coated, are the cellular porous ceramic foam structures used to filter molten metals and flame diffusers. Such typical honeycomb bodies and foams, as well as their respective microstructure are in the shown. shows the net-like structure of foams.

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). [ R. M. Heck und R. J, Farrauto, Catalytic Air Pollution Control-Commercial Technology, Van Nostrand Reinhold, New York U. S. A., (1995) ].In the same field of catalytic treatment of harmful gases and particles, the diverse conditions - often opposing - chemical reactions, oxidation of CO and hydrocarbons, reduction of NOx and Oammeln and oxidize soot particles, have led to the use of multiple, simultaneously used catalysts, and the Use of synergies between these catalysts. In fact, all modern diesel lean-burn engines are based on a "cascading" principle. Three different porous active substances and converters act in series: (i) oxidation catalysis to remove CO and HCs, (ii) DPF to remove soot particles, and (iii) specific NOx removal systems (de-NOx), such as Lean NOx traps (LNT ) or converter based on selective catalytic reduction (SCR). [ RM Heck and R. J, Farrauto, Catalytic Air Pollution Control Commercial Technology, Van Nostrand Reinhold, New York USA, (1995) ].

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 ( – Schematisches Beispel einer getrennten Grundierung [ M. Berndt, P. Landri, An overview about Engelhard approach to nonstandard environmental catalysis, Catalysis Today 75, 17–22, (2002) ];]. [a. a. O.]). Alternativ bringt ”zonales Beschichten” Beschichtungen von verschiedenen Zonen auf dem monolithischen Substrat mit verschiedenen Katalysator Formen mit sich. (Schema in – „zonales” Beschichten von Kanälen eines DPF [ A. Punke, G. Grubert, Y. Li, J. Dettling, T. Neubauer, Catalyzed Soot Filters in Close Coupled Position for Passenger Vehicles, SAE Technical Paper 2006-01-1091 ]). Zum Beispiel kann ein Substrat mit zwei axialen Zonen zwei separate Substratschichten mit den entsprechenden Katalysatoren ersetzen, wobei „radiale” Zonen in der Mitte einen höheren Anteil an Edelmetallen enthalten, da hier der Gasfluss in der Regel höher ist. In all diesen Anwendungen ist die keramische Struktur an sich inert in Bezug auf die gewünschte Gas-Feststoff-Reaktion: Es wird entweder als physikalischer Filter genutzt, oder als chemisch inerte, poröse Struktur, auf der chemisch aktive Spezies dispergiert werden können. Dafür ist im Falle von chemischen Reaktionen, die Volumen-bezogene Produktausbeute klein, da der Hauptteil des Reaktorvolumens mit chemisch inertem Material belegt ist. Die Volumen-bezogene Produktausbeute von so strukturierten Reaktoren zu erhöhen, kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Trägerstruktur vollständig aus dem Aktivmaterial gefertigt wird. Der Nachteil dabei ist der in den meisten Fällen deutlich höhere Preis des Aktivmaterials gegenüber der Keramik (wenn zum Beispiel Katalysatoren wie Platin verwendet werden). Tatsächlich wurde ein solches Konzept in der Industrie zur Kontrolle der NOx Emissionen von stationären Quellen durch die SCR mit NH3, bei dem große Oberflächen an Titan/Vanadium-Mischungen oder zeolitische Katalysatoren benötigt werden, aus dem Vollmaterial extrudiert [ I. M. Lachman, J. L. Williams, Extruded monolithic catalyst support, Catalysis Today, 14 (2), 317–329, (1992) ].Since such porous monolithic structures occupy much space in the vehicle, the current state of the art is to combine these multiple reactions and to avoid adverse effects between the various materials, a sequential or simultaneous use of the various catalytic materials. Furthermore, multidimensional designs are introduced, such. B. multilayer catalyst systems and / or a spatial separation of the catalytic materials over and along the porous structure. Two examples are "separate primers" and "zonal coating". Separate primers have been developed to spatially separate precious metals by applying them to the primer's own metal oxides before being applied to the substrate. Typical examples are multilayer catalyst systems: The catalyst system is spatially subdivided into two or more layers which contain well separated, different dispersions of active metals and their accelerators ( - Schematic example of a separate primer [ M. Berndt, P. Landri, An overview about Engelhard's approach to non-standard environmental catalysis, Catalysis Today 75, 17-22, (2002) ]]. [aa O.]). Alternatively, "zonal coating" involves coatings of different zones on the monolithic substrate with different catalyst shapes. (Scheme in - "zonal" coating of channels of a DPF [ A. Punke, G. Grubert, Y. Li, J. Dettling, T. Neubauer, Catalyzed Soot Filters in Close Coupled Position for Passenger Vehicles, SAE Technical Paper 2006-01-1091 ]). For example, a substrate with two axial zones can replace two separate substrate layers with the corresponding catalysts, with "radial" zones in the middle containing a higher proportion of noble metals, since here the gas flow is usually higher. In all these applications, the ceramic structure is inherently inert with respect to the desired gas-solid reaction: it is used either as a physical filter or as a chemically inert, porous structure on which chemically active species can be dispersed. For this, in the case of chemical reactions, the volume-related product yield is small, since the bulk of the reactor volume is coated with chemically inert material. The volume-related product yield of reactors structured in this way can be achieved, for example, by producing the support structure completely from the active material. The disadvantage here is in most cases significantly higher price of the active material compared to the ceramic (when, for example, catalysts such as platinum are used). Indeed, such an approach has been extruded from the solid material by the SCR with NH 3 , which requires large surfaces of titanium / vanadium mixtures or zeolitic catalysts, to control NOx emissions from stationary sources [ Lachman, JL Williams, Extruded Monolithic Catalyst Support, Catalysis Today, 14 (2), 317-329, (1992) ].

Im Falle von Wabenkörperreaktoren wird von extrudierten Körper aus Fe2O3, welches ein Katalysator zur Dehydrierung von Ethylbenzen zu Styrol ist, berichtet [ W. P. Addiego, W. Liu, T. Boger, Iron oxide-based honeycomb catalysts for the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene, Catalysis Today, 69, 25–31, (2001) ; W. P. Addiego and W. Liu, Extruded honeycomb dehydrogenation catalyst and method, US Patent 6,461,995 B1 , (2202)].In the case of honeycomb reactors, an extruded body of Fe 2 O 3 , which is a catalyst for the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene, reports [ WP Addiego, W. Liu, T. Boger, Iron oxide-based honeycomb catalysts for the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene, Catalysis Today, 69, 25-31, (2001). ; WP Addiego and W. Liu, Extruded honeycomb dehydrogenation catalyst and method, US Patent 6,461,995 B1 , (2202)].

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, US 6,630,078 B2 , (2003)].Another patent describes the preparation of foams of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) or cobalt-chromium oxide (Co 0.2 Cr 0.8 O x ) for testing the production of synthesis gas by means of the partial oxidation of light hydrocarbons [K. Kourtakis, AM Gaffney, L. Wang, Reticulated ceramic foam catalysts for synthesis gas production, US 6,630,078 B2 , (2003)].

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 [ R. Buck, J. F. Muir, R. E. Hogan, R. D. Skocypec, CO2 reforming of methane in a solar volumetric receiver/reactor: The CAESAR project. Solar Energy Materials, 24, 449–463, (1991) ]. Hierbei wurde eine Scheibe aus alpha-luminiumoxid-Mullitschaum, überzogen mit gamma-Aluminiumoxid und Rhodium-Katalysator in einem Absorber platziert, der sich im Fokus eines Parabolspiegels befand.
In the field of "solar process engineering", especially in thermochemical cycle processes, the use of oxides as redox materials is known:
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 [ R. Buck, JF Muir, RE Hogan, RD Skocypec, CO2 reforming of methane in a solar volumetric receiver / reactor: The CAESAR project. Solar Energy Materials, 24, 449-463, (1991) ]. Here, a disk of alpha-alumina mullite foam, coated with gamma-alumina and rhodium catalyst was placed in an absorber that was in the focus of a parabolic mirror.

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 [ A. Wörner and R. Tamme, CO2 reforming of methane in a solar driven volumetric receiver-reactor, Catalysis Today, 46, 165–174, (1998) ]. Keramische Wabenstrukturen wurden, obwohl sie ausgiebig untersucht und als volumetrische Receiver für Solarstrahlung etabliert waren [ T. Fend, B. Hoffschmidt, R. Pitz-Paal, O. Reutter and P. Rietbrock, Porous materials as open volumetric solar receivers: Experimental determination of thermophysical and heat transfer properties, Energy, 29(5–6), 823–833, (2004) ; B. Hoffschmidt, V. Fernández, R. Pitz-Paal, M. Romero, P. Stobbe, and F. Téllez, The development strategy of the HiTREC volumetric receiver technology – up-scaling from 200kWth via 3MWth up to 10MWel, in Proceedings of 11th SolarPACES International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies, Zürich, Switzerland, September 2002 ; C. C. Agrafiotis, I. Mavroidis, A. G. Konstandopoulos, B. Hoffschmidt, P. Stobbe, M. Romero, V. Fernandez-Quero, Evaluation of porous silicon carbide monolithic honeycombs as volumetric receivers/collectors of concentrated solar radiation, Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 91, 474–488, (2007) ], nicht als Bausteine für Solarreaktoren genutzt, bevor kürzlich (2005) die HYDROSOL Forschungsgruppe das Konzept eines monolithischen Solarreaktors mit Wabenstrukturen aus SiC-Waben (vgl. 1(c)) beschichtet mit Redox-Paaren aus Eisenmischoxiden zur Durchführung von thermochemischen Kreisprozessen zur Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung mit Sonnenenergie vorstellte [ C. Agrafiotis, M. Roeb, A. G. Konstandopoulos, L. Nalbandian, V. T. Zaspalis, C. Sattler, P. Stobbe, A. M. Steele, Solar water splitting for hydrogen production with monolithic reactor, Solar Energy, 79(4), 409–421, (2005) ; M. Roeb, C. Sattler, R. Klüser, N. Monnerie, L deOliveira, A. G. Konstandopoulos, C. Agrafiotis, V. T. Zaspalis, L. Nalbandian P. Stobbe, A. M. Steele, Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides, Journal of Solar Energy Engineering – Transactions of the ASME, 128, 125–133, (2006) ; http://www.hydrosol-project.org/ ; C. C. Agrafiotis, C. Pagkoura, S. Lorentzou, M. Kostoglou, A. G. Konstandopoulos, Hydrogen production in solar reactors, Catalysis Today, 127, 265–277, (2007) ], currently scaled-up and demonstrated to the 100-kW level [ M. Roeb, J.-P. Säck, P. Rietbrock, C. Prahl, H. Schreiber, M. Neises, D. Graf, M. Ebert, W. Reinalter, M. Meyer-Grünefeldt, C. Sattler, A. Lopez, A. Vidal, A. Elsberg, P. Stobbe, D. Jones, A. Steele, S. Lorentzou, C. Pagkoura, A. Zygogianni, C. Agrafiotis, A. G. Konstandopoulos, Test operation of a 100-kW pilot plant for solar hydrogen production from water on a solar tower, Solar Energy, 85, 634–644, (2011) ]. Heutzutage werden neben Wabenstrukturen von japanischen [ N. Gokon, T. Kodama, N. Imaizumi, J. Umeda, T. Seo, Ferrite/zirconiacoated foam device prepared by spin coating for solar demonstration of thermochemical water-splitting, International Journal of Hydrogen Energy, 36(3), 2014–2028, (2011) ] und französischen [ H. I. Villafán-Vidales, S. Abanades, C. Caliot, H. Romero-Paredes, Heat transfer simulation in a thermochemical solar reactor based on a volumetric porous receiver, Applied Thermal Engineering, 31(16), 3377–3386, (2011) ] Arbeitsgruppen auch Keramikschäume als Tragestruktur in solargestüzten Wasserspaltungsreaktoren genutzt.The second and third generation SiC foam based solar chemical receiver reactors have been designed and tested for the tower of the Weizmann Institute of Science (WIS) Solar Research Center in Israel [ A. Wörner and R. Tamme, CO2 reforming of methane in a solar driven volumetric receiver-reactor, Catalysis Today, 46, 165-174, (1998) ]. Ceramic honeycomb structures, although extensively studied and established as volumetric receivers for solar radiation, became T. Fend, B. Hoffschmidt, R. Pitz-Paal, O. Reutter and P. Rietbrock, Porous materials as open volumetric solar receivers: Experimental determination of thermophysical and heat transfer properties, Energy, 29 (5-6), 823- 833, (2004) ; B. Hoffschmidt, V. Fernández, R. Pitz-Paal, M. Romero, P. Stobbe, and F. Téllez, The development strategy of the HiTREC volumetric receiver technology - up-scaling from 200kWth via 3MWth to 10MWel, in Proceedings of 11th SolarPACES International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies, Zurich, Switzerland, September 2002 ; CC Agrafiotis, I. Mavroidis, AG Konstandopoulos, B. Hoffschmidt, P. Stobbe, M. Romero, V. Fernandez-Quero, Evaluation of porous silicon carbide monolithic honeycombs as volumetric receivers / collectors of concentrated solar radiation, Journal of Solar Energy Materials and Solar Cells, 91, 474-488, (2007) ], were not used as building blocks for solar reactors before (2005) the HYDROSOL research group recently developed the concept of a monolithic solar reactor with honeycomb structures made of SiC honeycombs (cf. 1 (c) ) coated with redox pairs of iron mixed oxides for the implementation of thermochemical cycle processes for hydrogen production by water splitting with solar energy presented [ C. Agrafiotis, M. Roeb, AG Konstandopoulos, L. Nalbandian, VT Zaspalis, C. Sattler, P. Stobbe, AM Steele, Solar water splitting for monolithic reactor, Solar Energy, 79 (4), 409-421 , (2005) ; M. Roeb, C. Sattler, R. Klüser, N. Monnerie, L. deOliveira, AG Konstandopoulos, C. Agrafiotis, VT Zaspalis, L. Nalbandian P. Stobbe, AM Steele, Solar hydrogen production by a two-step cycle based on mixed iron oxides, Journal of Solar Energy Engineering - Transactions of the ASME, 128, 125-133, (2006) ; http://www.hydrosol-project.org/ ; CC Agrafiotis, C. Pagkoura, S. Lorentzou, M. Kostoglou, AG Konstandopoulos, Hydrogen Production in Solar Reactors, Catalysis Today, 127, 265-277, (2007) ], currently scaled-up and demonstrated to the 100-kW level [ M. Roeb, J.-P. Sack, P. Rietbrock, C. Prahl, H. Schreiber, M. Neises, D. Graf, M. Ebert, W. Reinalter, M. Meyer-Grunfeldt, C. Sattler, A. Lopez, A. Vidal, A. Elsberg, P. Stobbe, D. Jones, A. Steele, S. Lorentzou, C. Pagkoura, A. Zygogianni, C. Agrafiotis, AG Konstandopoulos, Test Operation of a 100-kW pilot plant for solar hydrogen production from water on a solar tower, Solar Energy, 85, 634-644, (2011) ]. Nowadays, in addition to honeycomb structures of Japanese [ N. Gokon, T. Kodama, N. Imaizumi, J. Umeda, T. Seo, Ferrites / zirconiacoated foam device prepared by spin coating for solar demonstration of thermochemical water-splitting, International Journal of Hydrogen Energy, 36 (3), 2014 -2028, (2011) ] and French [ HI Villafán-Vidales, S. Abanades, C. Caliot, H. Romero-Paredes, Heat transfer simulation in a thermochemical solar reactor based on a volumetric porous receiver, Applied Thermal Engineering, 31 (16), 3377-3386, (2011) ] Working groups also used ceramic foams as support structure in solar-supported water splitting reactors.

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 [ P. Furler, J. Scheffe, M. Gorbar, L. Moes, U. Vogt, A. Steinfeld, Solar Thermochemical CO2 Splitting Utilizing a Reticulated Porous Ceria Redox System, Energy and Fuels, 26 (11), 7051–7059, (2012) ].Based on the above-mentioned activities, recently made reticulated porous ceramic foams consisting entirely of the active material - cerium oxide (CeO 2 ) in this case. These were tested on a laboratory scale under solar thermal high temperature conditions (1600 ° C) for carbon dioxide cleavage (CO 2 ) using thermochemical redox cycles [ P. Furler, J. Scheffe, M. Gorbar, L. Moes, U. Vogt, A. Steinfeld, Solar Thermochemical CO2 Splitting Utilizing a Retarded Porous Ceria Redox System, Energy and Fuels, 26 (11), 7051-7059, ( 2012) ].

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 [ A. Meffre, J. Lambert, X. Py, R. Olivès, G. Matzen, V. Montouillout, C. Bessada, P. Echegut, N. Calvet, U. Michon, Correlations between structural properties and elaboration conditions for sensible heat storage material made of vitrified asbestos containing wastes, Proceedings of 15th International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st–24th, (2010) ]. Schließlich ist auch die Potential dieser Technologie für höhere Wirkungsgrade aufgrund der in Hinblick auf die Zersetzung der Salzschmelze ab 565°C beschränkten maximalen Temperaturen nur marginal. Auf der anderen Seite können Speichersysteme auf Basis von PCMs in ihrer Größe gegenüber Systemen, die keinen Phasenübergang nutzen, deutlich reduziert werden. Jedoch ist die Auslegung des Wärmeübergangs und der Medien schwieriger und die Erfahrung zeigt, dass sich die Leistung der Materialien nach einigen Erstarrungs-Schmelz-Zyklen verschlechtert. Der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Salze in fester Phase wird von Herstellern durch Salz/Graphit-Mischungen und durch Implementierung von Wärmetauscherkonzepten wie Rohren, berippten oder „Sandwich” Konfigurationen [a. a. O.] Rechnung getragen. Auf der anderen Seite, im Falle des STJ ist das Speichersystem, das auf einem sensiblen Wärmespeicher basiert, nur in der Lage einen off-Sun Betrieb für ca. 1,5 h zu gewährleisten.The two storage technologies that have been commercially implemented in existing large scale solar thermal power plants are the "steam storage" concept and the molten salt. The former is characterized by high investment costs for the high-pressure tank and therefore, from an economic point of view, not suitable for further upscaling. The latter is characterized by a number of disadvantages: protection against freezing requires heating, which increases the parasitic energy consumption. In addition, large amounts of the salt are needed; For example, in the case of the Andasol power plant (7.5 hours of storage), 28000 tonnes will be used [ A. Meffre, J. Lambert, X. Py, R. Olivés, G. Matzen, V. Montouillout, C. Bessada, P. Echegut, N. Calvet, U. Michon, Correlations between structural properties and elaboration conditions for sensible heat International SolarPACES Concentrating Solar Power Symposium, Perpignan, France, September 21st-24th, (2010) ]. Finally, the potential of this technology for higher efficiencies is only marginal due to the maximum temperatures limited to 565 ° C decomposition of molten salt. On the other hand, memory systems based on PCMs can be significantly reduced in size compared to systems that do not use phase transition. However, the design of the heat transfer and the media is more difficult and experience shows that the performance of the materials deteriorates after some solidification melt cycles. The poor thermal conductivity of the solid phase salts is accounted for by manufacturers of salt / graphite blends and by the implementation of heat exchanger concepts such as tubes, finned or "sandwich" configurations [supra]. On the other hand, in the case of the STJ, the storage system, which is based on a sensitive heat storage, is only able to ensure off-sun operation for about 1.5 hours.

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 [ R. G. Bowery and J. Justen, Energy storage using the reversible oxidation of barium oxide, Solar Energy, 21, 523–525, (1978) ; M. A. Fahim and J. D. Ford, Energy storage using the BaO2-BaO reaction cycle, The Chemical Engineering Journal, 27, 21–28, (1983) ; E. R. Stobbe, B. A. de Boer, J. W. Geus, The reduction and oxidation behavior of manganese oxides, Catalysis Today, 47, 161–167, (1999) ; H. Matsuda T. Ishizu, S. K. Lee, M Hasatani, Kinetic study of Ca(OH)2/CaO reversible thermochemical reaction for thermal energy storage by means of chemical reaction, Kagaku Kogaku Ronbunshu, 11, 542 (1985) ; K. N. Hutchings, M. Wilson, P. A. Larsen, R. A. Cutler, Kinetic and thermodynamic considerations for oxygen absorption/desorption using cobalt oxide, Solid State Ionics, 177, 45–51, (2006) ]; jedoch sind erst vor kurzem systematische Vergleichsstudien solcher Systeme in der Literatur erschienen [a. a. O.], die sich auf einzelne Oxid-Systeme und Festbettreaktoren im Labor beschränken.In the field of solar energy storage, redox reactions of the oxides of metals with multivalent states (such as reactions (5) - (9) above) have been discussed since 1978 for TCS [ RG Bowery and J. Justen, Energy Storage using the reversible oxidation of barium oxide, Solar Energy, 21, 523-525, (1978) ; MA Fahim and JD Ford, Energy storage using the BaO2-BaO reaction cycle, The Chemical Engineering Journal, 27, 21-28, (1983) ; ER Stobbe, BA de Boer, JW Geus, The Reduction and Oxidation Behavior of Manganese Oxides, Catalysis Today, 47, 161-167, (1999) ; H. Matsuda T. Ishizu, SK Lee, M Hasatani, Kinetic study of Ca (OH) 2 / CaO reversible thermochemical reaction for thermal energy storage by means of chemical reaction, Kagaku Kogaku Ronbunshu, 11, 542 (1985) ; KN Hutchings, M. Wilson, PA Larsen, RA Cutler, Kinetic and Thermodynamic Considerations for Oxygen Absorption / Desorption Using Cobalt Oxide, Solid State Ionics, 177, 45-51, (2006) ]; however, recent systematic comparative studies of such systems have appeared in the literature [loc. cit.], which are limited to single oxide systems and fixed bed reactors in the laboratory.

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. [ F. Dinter, M. Geyer, R. Tamme, Thermal energy storage for commercial application (TESCA), a feasibility study on economic storage systems. Springer-Verlag, Berlin, (1991) ; H. Michels, R. Pitz-Paal, Cascaded latent heat storage for parabolic trough solar power plants, Solar Energy, 81 829–837, (2007) ].With the same concept of latent heat storage using phase change materials, the idea of combining cascades of materials of different chemical composition in a suitable manner in space has been proposed and implemented in terms of their thermochemical properties. The so-called "Cascaded Latent Heat Storage" (CLHS) has been proposed and verified experimentally and numerically with a cascade of three phase change materials, in which a mixture of salts in the solid state with an increasing melting temperature of the lower operating temperature of the memory module are cascaded to the maximum operating temperature according to the various properties of the medium for transmitting sensible heat and the media for latent heat storage. [ F. Dinter, M. Geyer, R. Tamme, Thermal energy storage for commercial applications (TESCA), a feasibility study on economic storage systems. Springer-Verlag, Berlin, (1991) ; H. Michels, R. Pitz-Paal, Cascaded latent heat storage for parabolic trough solar power plants, Solar Energy, 81 829-837, (2007) ].

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 [ Z. Anxionnaz, M. Cabassud, C. Gourdon, P. Tochon, Wärmetauscher/Reaktoren (HEX Reaktoren): Konzepte, Technologien: State-of-the-art, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 47 (12) 2029–2050 (2008) ]. Im Gegenteil muss die vorgeschlagene Struktur für den besonderen Fall von TCS derart optimiert werden, um die Wärmeübertragung und das Zuführen/die Freigabe zwischen dem reaktiven Feststoff und dem strömenden Gas steuerbar zu machen, dauerhaft für einen längeren Zeitraum.The proposed concept is quite different, not only in terms of structured catalytic reactors as described above, but also of "conventional" heat exchangers / reactors (HEX), which combine a reactor and a heat exchanger in one unit with the incentive to supply / heat removal to improve the endothermic / exothermic reactions, almost as fast as they are absorbed or generated by the reaction [ Z. Anxionnaz, M. Cabassud, C. Gourdon, P. Tochon, Heat Exchangers / Reactors (HEX Reactors): Concepts, Technologies: State-of-the-art, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 47 (12) 2029- 2050 (2008) ]. On the contrary, for the particular case of TCS, the proposed structure must be optimized to make the heat transfer and the delivery / release between the reactive solid and the flowing gas controllable, permanently for a longer period of time.

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 bzw. 3(b) jeweils für den beispielhaften Fall von Kobaltoxid gezeigt. Schematische Darstellung des thermochemischen Speichervorgangs auf dem (porösen) Partikelniveau für den beispielhaften Fall von Kobaltoxids: (a) thermische Reduktion (endotherm) der oxidierten Form eines Oxidpartikels unter Einwirkung heißer Luft, (b) Oxidation (exotherm) von der reduzierten Form des Oxidpartikels zurück in den oxidierten Zustand mit gleichzeitiger Erzeugung von Wärme, die verwendet wird, um die Temperatur des Luftstroms zu erhöhen.A schematic representation of the two-stage reaction concept between an oxide particle and an air-gas stream is shown in FIG respectively. 3 (b) each shown for the exemplary case of cobalt oxide. Schematic representation of the thermochemical storage process at the (porous) particle level for the exemplary case of cobalt oxide: (a) thermal reduction (endothermic) of the oxidized form of an oxide particle under the action of hot air, (b) oxidation (exothermic) from the reduced form of the oxide particle in the oxidized state with simultaneous generation of heat, which is used to increase the temperature of the air stream.

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 ( , oben), zum Aufheizen des oxidierten Zustandes des Redox-Materialsystems (im konkreten Fall Co3O4) auf genügend hohe Temperatur verwendet, um eine endotherme ”Dissoziation” zur reduzierten Form (CoO) sowie gasförmigen Sauerstoff, der einfach mit dem Luftstrom (Reaktion 7) mitgerissen wird und das Speichersystem bei niedrigerer Temperatur verlässt, zu bewirken. Der größte Teil des ”heißen” Luftstroms wird der Dampf-Turbinenanlage zugeführt, um heißen Dampf zu generieren, der wiederum zur Stromerzeugung benutzt wird; der Luftstrom wird damit auch abgekühlt und vermischt mit dem kühlen Luftstrom aus dem Speichersystem, zurück zum Solar-Receiver geleitet, um wieder aufgeheizt zu werden. Während des off-sun Betriebes ( , unten) wird der „kühle Luftstrom”, der aus dem Dampf-Kreislauf kommt, verwendet, um die reduzierte Form des Metalloxids im Speicherblock zu „oxidieren” (d. h. auf CoO bezogen – Umkehrreaktion 7). Da diese Reaktion exotherm ist, wird sie bei niedrigen bis moderaten Temperaturen begünstigt. Selbst wenn die Temperatur des Luftstroms nicht ausreicht, um die Oxidationsreaktion in Gang zu setzen, kann eine solche Reaktion einfach und lokal auf andere Weise in Gang gesetzt werden. Sobald die Oxidationsreaktion einmal gestartet wurde, ist die Oxidationsreaktion stark exotherm und pflanzt sich eigenständig fort; die Enthalpie (Wärmeabgabe) aus einer solchen Reaktion wird auf den „kühlen Luftstrom” übertragen. Somit wird dieser auf Temperaturen hoch genug erhitzt, um den Dampfturbinenzyklus für die Produktion von Elektrizität im off-sun Betrieb zu ermöglichen. Wie bereits erwähnt, ist eine notwendige Voraussetzung, dass die reversible Oxidations-Reduktions-Reaktionen solcher Systeme in Temperaturbereichen ablaufen, die von Luftströmen aus dem CSP-Kraftwerk realisiert werden können.If this concept is implemented in an open volumetric air receiver CSP system [aa O.], during on-sun operation the part of the "hot" air flow directed to the memory block ( , above), used to heat the oxidized state of the redox material system (in this case Co 3 O 4 ) to a sufficiently high temperature to produce an endothermic "dissociation" to the reduced form (CoO) and gaseous oxygen which is easily mixed with the air stream ( Reaction 7) is entrained and leaves the storage system at lower temperature. Most of the "hot" airflow is supplied to the steam turbine plant to generate hot steam, which in turn is used to generate electricity; The airflow is thus also cooled and mixed with the cool air flow from the storage system, passed back to the solar receiver to be reheated. During off-sun operation ( , below), the "cool air stream" coming from the steam cycle is used to "oxidize" the reduced form of metal oxide in the storage block (ie, based on CoO - reverse reaction 7). Because this reaction is exothermic, it is favored at low to moderate temperatures. Even if the temperature of the air stream is not sufficient to initiate the oxidation reaction, such a reaction can be easily and locally initiated in some other way. Once the oxidation reaction has started, the oxidation reaction is highly exothermic and self-propagates; the enthalpy (heat release) from such a reaction is transferred to the "cool air stream". Thus, it is heated to temperatures high enough to allow the steam turbine cycle to produce off-sun electricity. As already mentioned, is a necessary Requirement that the reversible oxidation-reduction reactions of such systems occur in temperature ranges that can be realized by air streams from the CSP power plant.

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 schematisch dargestellt).Therefore, a common problem of both routes could arise if, during on-sun operation of the heat transfer medium, e.g. B. a hot air flow at a certain constant temperature from the solar heat source, heat for melting or thermal reduction supplies. Since the PCM or the redox oxide system continuously absorbs heat, at a certain time the temperature of the heat transfer fluid in the outlet of the storage module falls below the melting or the reduction temperature and the two processes will not continue. This could also happen due to local conditions (heat losses, etc.) at a different location along the mass of the storage material. To solve this problem, in the case of LHS, the so-called "cascaded latent heat storage" (CLHS) concept was proposed. The idea is to combine PCM salts or mixtures of salts with increasing melting temperature. The PCMs should be connected in series from lower to higher operating temperatures according to their melting temperatures in order to match the different characteristics of the transfer medium and the latent heat storage. Particularly for parabolic trough power plants, inter alia, a combination of 5 (five) salts in a row, as shown in Figure 5a, has been discussed. The salt with the highest melting temperature - in the specific example a eutectic mixture of MgCl 2 / KCl / NaCl - has been selected for the "hot end" of the CLHS (storage above) and the salt with the lowest - NaNO 3 in the specific case - for the "cold end" (memory below). The idea is conceptually simple: during "on-sun" operation, the "hot" heat transfer fluid at a temperature higher than the melting point of the MgCl 2 / KCl / NaCl mixture is directed into the store to provide the necessary heat of fusion. Finally, even if the heat transfer fluid comes from the MgCl 2 / KCl / NaCl "module" of the reservoir at a lower temperature, this temperature is sufficient to provide the heat of fusion of the second material of the cascade and so on. In this way, a better utilization of the possible phase changes and a more uniform outlet temperature is achieved. The concept was confirmed experimentally and numerically in a cascade of three PCMs, namely PCM 1 = KNO 3 , PCM 2 = KNO 3 / KCl, and PCM 3 = NaNO 3 , where the positive effects of a CLHS compared to a non-series LHS have been confirmed [aa O.]. Schematic representation of the principle of operation cascaded latent heat storage (CLHS) with five phase change materials according to [aa O.], (b) adaptation of this idea in the case of thermochemical heat storage for on-sun operation: as an exemplary cascaded thermochemical storage (CTC) concept, which This concept can be applied to fixed bed, honeycomb, foam reactors, as well as in any combination of the above (exemplary applications in shown schematically).

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 qualitativ skizziert: Das Wärmeträgermedium Luft tritt mit einer Temperatur von 680°C in das Speichermodul ein und mit einer Temperatur von 120°C wieder aus. Wenn die gesamte Waben-Kaskade mit einem einzigen Oxid beschichtet würde, würde TCS in den Zonen nicht mehr ablaufen, in denen die Temperatur unter die notwendige Reduktions- bzw. Oxidationstemperatur abgefallen ist.With the current approach of storing sensible heat (approach in STJ), the temperature distribution within the storage medium is not uniform, as in qualitatively outlined: The heat transfer medium air enters the storage module at a temperature of 680 ° C and at a temperature of 120 ° C again. If the entire honeycomb cascade were coated with a single oxide, TCS would no longer drain in those zones where the temperature has dropped below the required reduction or oxidation temperature.

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 gezeigt. Die Luft, die aus dem ersten Modul der Kaskade kommt, ist abgekühlt, aber dennoch ist die Temperatur über der notwendigen Redox-Temperatur des Materials der zweiten Kaskade und damit ausreichend, um auch diese zu ihrer reduzierten Form so zu dissoziieren und so weiter. In dieser Hinsicht kann die Enthalpie des Wärmeträgermediums – obwohl das Wärmeträgermedium immer kühler wird – in dem jeweiligen ”diskretisierten” Teil der Kaskade vollständig gespeichert werden. Die Redox-Systeme die in einer solchen Kaskade eingesetzt werden können, beinhalten, neben mehrwertigen festen Oxiden, Systeme aus Metalloxid/Metall, dessen reduzierte Form nicht aus einem Oxid besteht, sondern einem Metall mit einer niedrigeren Valenz, nicht wie in den Reaktionen 5–9, sondern das von dem Metall selbst nach dem Reaktionsschema (10). Dies hängt davon ab, ob so ein Metalloxid/Metall-System existiert, das in den metallischen Zustand unter Luftatmosphäre innerhalb des interessanten Temperaturbereichs (100–1200°C) reduziert werden kann und eine signifikant und nutzbare Zersetzungs- bzw. Oxidationsreaktionswärme besitzt: 2MeO + ΔH → 2Me + O2 (10) T = 100–1200°C; ΔH >> 0 kJ/molreact Different oxide systems can with increasing reduction / oxidation temperature of cascaded from the "cold" to the "hot end". An exemplary schematic representation of the operating concept with three of the four oxides from reactions (5) - (9) is given in shown. The air coming out of the first module of the cascade is cooled, but nevertheless the temperature is above the necessary redox temperature of the material of the second cascade and thus sufficient to dissociate it to its reduced form and so on. In this regard, although the heat transfer medium is becoming cooler, the enthalpy of the heat transfer medium can be completely stored in the respective "discretized" part of the cascade. The redox systems that can be used in such a cascade include, in addition to polyvalent solid oxides, metal oxide / metal systems whose reduced form does not consist of an oxide but of a metal of lower valency, not as in the reactions. 9, but that of the metal itself according to the reaction scheme (10). This depends on whether such a metal oxide / metal system exists, which can be reduced to the metallic state under air atmosphere within the interesting temperature range (100-1200 ° C) and has a significant and useful decomposition or oxidation heat of reaction: 2MeO + ΔH → 2Me + O 2 (10) T = 100-1200 ° C; ΔH >> 0 kJ / mol react

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 [ A. Cybulski and J. A. Moulijn (Eds.), Structured Catalysts and Reactors, Taylor and Francis (2005) ]. Normalerweise sind solche strukturierten Katalysatoren mit großem Hohlraumanteil im Bereich von 0,7 bis mehr als 0,9 (im Falle von Schäumen) ausgestattet, im Vergleich zu ca. 0,5 in gepackten Betten. Skalierung von strukturierten Reaktoren ist viel einfacher als von zufälligen und chaotischen Systemen, wie gepackten Betten, Rührreaktoren und Wirbelschichtreaktoren. Insbesondere keramische Schäume zeigen eine extrem hohe Porosität, mit einem erheblichen Maß an Vernetzung. Das Ergebnis ist ein niedriger Druckverlust. Hohe Konvektion in den gewundenen Megaporen resultiert in verbessertem Stoff- und Wärmetransport. Weiterhin haben Schaumstoffe im Gegensatz zu ihren Gegenstücken, den monolithischen Wabenkörpern, ein erhebliches Maß an radialer Vermischung, was ein Vorteil bei Prozessen ist, die durch Wärmeübertragung begrenzt sind und zudem kann die Strömungsverteilung angleichen werden [ M. V. Twigg and J. T. Richardson, Fundamentals and Applications of Structured Ceramic Foam Catalysts, Industrial Engineering Chemistry Research, 46, 4166–4177, (2007) ].The relevant advantages and disadvantages of any type of heat exchanger concept (ie fixed beds, honeycombs, foams) are widely described in the freely available literature and are known to those skilled in the field of heat exchangers or reactors or ceramic production. In fixed bed reactors / heat exchangers, heat transfer and reaction rates are enhanced by small particle sizes that produce a higher pressure drop. The low thermal conductivity of solid particles is also a problem, as is abrasion. Indeed, the highly porous ceramic structures (such as monolithic honeycombs and foams) offer the inherent advantages over fixed beds: thin walls, high geometric surface area, good gas-solid contact, high gas flow rate with low pressure drop, easy product separation and deposition. If they have the necessary special material properties such as thermal shock resistance and mechanical strength, they are an attractive alternative to fixed beds. When dealing with gas-solid reactions at high temperatures, these "structured" catalytic systems are fully established and the first choice in a variety of catalytic applications, the most notable examples being automotive exhaust gas treatment and catalytic combustion [ A. Cybulski and JA Moulijn (Eds.), Structured Catalysts and Reactors, Taylor and Francis (2005) ]. Typically, such structured catalysts are provided with high void fraction ranging from 0.7 to more than 0.9 (in the case of foams), compared to about 0.5 in packed beds. Scaling of structured reactors is much easier than of random and chaotic systems, such as packed beds, stirred reactors, and fluidized bed reactors. In particular, ceramic foams show an extremely high porosity, with a considerable degree of crosslinking. The result is a low pressure loss. High convection in the tortuous megapores results in improved mass and heat transport. Furthermore, in contrast to their counterparts, the monolithic honeycomb bodies, foams have a considerable degree of radial mixing, which is an advantage in processes which are limited by heat transfer and, moreover, the flow distribution can be adjusted [ MV Twigg and JT Richardson, Fundamentals and Applications of Structured Ceramic Foam Catalysts, Industrial Engineering Chemistry Research, 46, 4166-4177, (2007) ].

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 ) erreicht werden.The modularity of the construction supports the implementation of a combination of the three concepts mentioned above in the same cascade. A particular material characterized by high thermal effects, such as Co 3 O 4 , which can be used theoretically, but on the other hand can not be manufactured as rigid, stable and structured shapes such as honeycomb structures or foams due to technical challenges, may be in the form of a Fixed bed can be used. Properly designed can thus a high volumetric heat storage capacity with acceptable pressure drop (schematic example in ) can be achieved.

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 : (a) auf der Basis von kaskadierten Festbetten, (b) auf der Basis von kleinen kaskadierten porösen Strukturen, Waben oder Schäumen, die entweder mit Redox-Oxiden beschichtet oder aus diesen hergestellt sein können und in dem Gesamtmodul zusammengesetzt sind.In the latter case, the structures may either be made entirely of the redox material or be coated with an inert base body with the same material. Schematic representation of the modularity of the construction of a complete thermochemical storage unit, adapted to (a) on the basis of cascaded fixed beds, (b) on the basis of small cascaded porous structures, honeycombs or foams which may either be coated with or made of redox oxides and are composed in the total modulus.

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) [ J. Adanez, A. Abad, F. Garcia-Labiano, P. Gayan, L. F. de Diego, Progress in Chemical-Looping Combustion and Reforming technologies, Progress in Energy and Combustion Science, 38, 215–282, (2012) ]. Nicht nur der Temperaturbereich stimmt mit dem überein, der für die Redoxmaterial-basierte thermochemische Speicherung relevant ist, sondern es werden auch wie bei dieser Anwendung, Übergangsmetalloxide als Sauerstoff-übertragende Materialien verwendet.A definite application example is the Chemical Looping Combustion (the combustion of fuels with inherent separation of CO 2 and N 2 with the use of oxidic redox materials) [ J. Adanez, A. Abad, F. Garcia-Labiano, P. Gayan, LF de Diego, Progress in Chemical-Looping Combustion and Reforming Technologies, Progress in Energy and Combustion Science, 38, 215-282, (2012) ]. Not only is the temperature range consistent with that relevant to redox material-based thermochemical storage, but also, as in this application, transition metal oxides are used as oxygen transferring materials.

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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Claims (8)

Verfahren zur thermochemischen Speicherung und Bereitstellung von Energie mittels reversible Reaktionen gekennzeichnet dadurch, dass mindestens zwei unterschiedliche reaktive Substanzen an unterschiedlichen Positionen in einem Strom an Wärmeträgerfluid platziert sind und somit eine Kaskade bilden, in der mindestens eine reversible endotherme chemische Reaktion bei einer höheren Temperatur abläuft als eine zweite reversible endotherme Reaktion, die den durch die ersten Reaktion abgekühlten Wärmeträgerstrom nutzt, und in der die für die Energiebereitstellung genutzte Rückreaktion der besagten zweiten chemischen Reaktion bei niedrigerer Temperatur abläuft als die Rückreaktion der ersten chemischen Reaktion, indem diese den aus der zweiten Rückreaktion austretenden vorerhitzten Wärmeträgerstrom nutzt.Method for thermochemical storage and provision of energy by means of reversible reactions characterized in that at least two different reactive substances are placed at different positions in a flow of heat transfer fluid and thus form a cascade in which at least one reversible endothermic chemical reaction proceeds at a higher temperature a second reversible endothermic reaction utilizing the heat carrier stream cooled by the first reaction, and wherein the lower energy reaction used for the energy supply of said second chemical reaction proceeds at a lower temperature than the reverse reaction of the first chemical reaction by exiting from the second reverse reaction preheated heat transfer stream uses. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die reaktiven Substanzen aus der Gruppe der multivalenten Oxide und/oder reversibel oxidier- und reduzierbaren Metalle, Carbonate Und/oder Hydroxide ausgewählt werdenA method according to claim 1, characterized in that the reactive substances from the group of multivalent oxides and / or reversibly oxidizable and reducible metals, carbonates and / or hydroxides are selected Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Reaktion aus der Gruppe der reversiblen chemischen Reaktionen oder der Phasenwechsel eines Materials ausgewählt wird, wobei die Reaktion bei niedrigerer Temperatur abläuft als die erste.A method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the second reaction from the group of reversible chemical reactions or the phase change of a material is selected, wherein the reaction proceeds at a lower temperature than the first. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Reaktanden in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Wärmeträgermedium sind.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the reactants are in direct or indirect contact with the heat transfer medium. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die genannten Substanzen in Pulverform, als Festbett, als Schaumstruktur, als Wabenstruktur, als Ziegel oder als Kombination der vorgenannten Möglichkeiten eingesetzt werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that said substances are used in powder form, as a fixed bed, as a foam structure, as a honeycomb structure, as a brick or as a combination of the aforementioned possibilities. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die Porosität einer Stufe der Kaskade innerhalb der Stufe homogen ist oder entlang der Stufe oder quer zur Stufe variiert.A method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the porosity of one stage of the cascade is homogeneous within the stage or varies along the stage or across the stage. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass das Wärmeträgermedium Luft und/oder Sauerstoff enthält.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat transfer medium contains air and / or oxygen. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine oder bis zu alle Reaktionen bei Temperaturen im Bereich von 100°C bis 1200°C ablaufen.A process according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least one or up to all reactions occur at temperatures in the range from 100 ° C to 1200 ° C.
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