DE102014101987A1

DE102014101987A1 - Verfahren zur Speicherung von Wärme

Info

Publication number: DE102014101987A1
Application number: DE102014101987.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Rosskopf; Marc Linder
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Wärme, bei dem ein Reaktionsprodukt unter Aufwendung von Energie in Edukte zerlegt wird, welche in einer exothermen Reaktion wieder zusammengeführt werden können, wobei als Reaktionsprodukt ein Material oder ein Materialgemisch verwendet wird, das durch elektromagnetische Energie erwärmbar und so in seine Edukte zerlegbar ist, und dass dem Reaktionsprodukt elektromagnetische Energie zugeführt wird, um das Reaktionsprodukt zu zerlegen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Wärme, bei dem ein Reaktionsprodukt unter Aufwendung von Energie in Edukte zerlegt wird, welche in einer exothermen Reaktion wieder zusammengeführt werden können. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur thermochemischen Energiespeicherung mit einem Reaktionsraum, wenigstens einer externen Energiequelle, über welche dem Reaktionsraum Energie zugeführt werden kann, einem Reaktionsprodukt-Speicher zur Speicherung eines partikulären Reaktionsprodukts, einer Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung, die zwischen dem Reaktionsprodukt-Speicher und dem Reaktionsraum angeordnet ist, um ein partikuläres Reaktionsprodukt vom Reaktionsprodukt-Speicher in den Reaktionsraum zu fördern, und wenigstens einem Edukt-Speicher zur Aufnahme von Edukten, die bei einer Zerlegung des Reaktionsprodukts in dem Reaktionsraum unter Aufwendung von Energie entstehen, wobei der wenigstens eine Edukt-Speicher mit dem Reaktionsraum über eine Edukt-Fördereinrichtung verbunden ist, um das Edukt aus dem Reaktionsraum in den Edukt-Speicher zu fördern.
Erneuerbare oder regenerative Energiequellen gelten, neben einer höheren Energieeffizienz, als wichtigste Säule einer nachhaltigen Energiepolitik. Zu ihnen zählen Wasserkraft, Windenergie, Sonnenenergie, Erdwärme und nachwachsende Rohstoffe. Ein Problem, das mit der Nutzung von regenerativ erzeugter Energie verbunden ist, besteht darin, dass diese häufig in der Form von elektrischem Strom vorliegt, in Haushalten jedoch Energie in erster Linie in Form von Wärme benötigt wird. Insbesondere Fotovoltaikanlagen liefern in den Sommermonaten ein Überangebot an elektrischem Strom, der Heizwärmebedarf ist jedoch im Winter am größten, also dann, wenn die solare Strahlung am geringsten ist. Entsprechend muss der Bedarf an Heizwärme im Winter zu einem erheblichen Teil aus fossilen Energiequellen gewonnen werden.
Um diesem Problem zu begegnen, werden zur Heizungsunterstützung in Siedlungen solare Nahwärmesysteme eingesetzt. Bei diesen wird im Sommer Sonnenenergie in Form von Wärme zumeist in große, gut gedämmte unterirdische Wasserspeicher oder Erdsonden und Aquifer-Speicher eingespeist, die später für die winterliche Beheizung zur Verfügung stehen. Neben der Nutzung solcher sensibler Wärmespeicher, die beim Lade- oder Entladevorgang ihre fühlbare Temperatur verändern, werden auch Latentwärmespeicher eingesetzt. Diese verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre Temperatur nicht, vielmehr ändert das Wärmespeichermedium seinen Aggregatzustand. Meistens ist dies der Übergang von fest zu flüssig bzw. umgekehrt. Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung führt. Die besten Energiedichten lassen sich allerdings mit thermochemischen Speichern erzielen, welche vornehmlich auf einer reversiblen Gas-Feststoff-Reaktion beruhen. Dabei wird zur Beladung eines thermochemischen Speichers ein Reaktionsprodukt AB in ein partikulärer Edukt A und ein gasförmiges Edukt B unter Wärmeaufnahme zerlegt. Wenn Wärme benötigt wird, werden die beiden Reaktionspartner A und B wieder zusammengeführt, und es entsteht unter Wärmefreisetzung das Reaktionsprodukt AB.
Thermochemische Speicher bieten den Vorteil einer nahezu verlustfreien Wärmespeicherung auch über große Zeiträume hinweg sowie von hohen erreichbaren Energiedichten. Thermochemische Systeme kann man im Vergleich zu üblichen Heißwasserspeichern mit einer bis zu vier- bis fünfmal höheren volumenbezogenen Wärmemenge beladen. Nicht nur zur saisonalen Speicherung von Sonnenenergie, sondern auch in der rationalen Energienutzung können thermochemische Speicher somit von Nutzen sein.
Die Nutzung thermochemischer Speicher ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass die für die endotherme Reaktion benötigte Energie bei den bekannten Systemen in Form von Wärme zur Verfügung stehen muss. In der Regel muss diese erst aus Strom gewonnen werden. Der Umwandlungsprozess von Strom in Wärme ist allerdings immer mit Verlusten verbunden. Des Weiteren müssen sensible Massen aufgeheizt werden, um die für die endotherme Beladungsreaktion erforderliche Temperatur zu erreichen. Zudem ist es aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Pulverschüttungen schwierig, effektiv Wärme in diese einzukoppeln. Im Ergebnis sind die Systeme, die zur thermischen Speicherung von Energie erforderlich sind, komplex.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur thermochemischen Speicherung von Energie anzugeben, das einen hohen Wirkungsgrad bei vergleichsweise geringem apparativen Aufwand ermöglicht. Desweiteren soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass als Reaktionsprodukt ein Material oder ein Materialgemisch verwendet wird, das durch elektromagnetische Energie erwärmbar und so in seine Edukte zerlegbar ist, und dass dem Reaktionsprodukt elektromagnetische Energie zugeführt wird, um das Reaktionsprodukt zu zerlegen.
Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, die für das Beladen eines thermochemischen Speichers, d.h. die für die endotherme Reaktion zum Zerlegen eines Reaktionsprodukts in seine Edukte, erforderliche Energie in der Form von elektromagnetischer Energie und hier insbesondere Mikrowellenenergie zur Verfügung zu stellen. Es hat sich gezeigt, dass Mikrowellen in der Lage sind, effektiv Wärme in Pulverschüttungen – sofern diese Mikrowellen-absorbtiv sind – einzubringen. Der Vorteil der direkten Einkopplung von Energie über Mikrowellenstrahlung besteht darin, dass keine zusätzliche sensible Masse aufgeheizt werden muss und ferner das Reaktionsprodukt durch die ständige Anregung sehr stark aufgeheizt wird, was in sehr schnellen Reaktionsgeschwindigkeiten und folglich kurzen Beladungszeiten bzw. hohen Leistungsdichten resultiert.
Aufgrund ihrer Wellenlänge sind Mikrowellen besonders zum Anregen von Dipol- und Multipolschwingungen von Molekülen geeignet. Entsprechend wird als Reaktionsprodukt ein Material oder Materialgemisch verwendet, welches Dipole oder Multipole aufweist. Besonders geeignet sind Reaktionsprodukte, die ein Material, welches der chemischen Gruppe der Hydroxide angehört, aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere bevorzugt werden Kalziumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid eingesetzt.
Kalziumhydroxid und Magnesiumhydroxid bieten den Vorteil, dass bei der endothermen Zerlegung keine kritischen Stoffe entstehen. Bei der endothermen Zerlegung von Kalziumhydroxid Ca(OH)₂ entstehen als Edukte Kalziumoxid (CaO) und Wasserdampf (H₂O). Das Kalziumoxid kann bei Raumtemperatur gut gelagert werden, und der Wasserdampf kann problemlos an die Umgebung abgegeben oder kondensiert werden. In gleicher Weise entstehen bei der Zerlegung von Magnesiumhydroxid Mg(OH)₂ die Edukte Magnesiumoxid (MgO) und Wasserdampf. Magnesiumoxid kann wie Kalziumoxid hervorragend bei Raumtemperatur gelagert werden.
In umgekehrter Weise kann die exotherme Reaktion zur Freisetzung von Wärmeenergie in einfacher Weise erfolgen, indem den Edukten Magnesiumoxid bzw. Kalziumoxid Wasser zugegeben wird.
Ebenso geeignet sind Reaktionsprodukte, die ein Material, welches der Gruppe der Hydrate angehört, aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise können Hydrate auf der Basis von Kalziumchlorid eingesetzt werden, die in verschiedenen Hydratstufen vorkommen (z.B. Di-, Tetra-, Hexahydrat). Die Reaktion zur Herstellung eines Kalziumchloridhydrats lautet CaCl₂ + 6H₂O → CaCl₂·6H₂O
Eine Vorrichtung zur thermochemischen Energiespeicherung umfasst in an sich bekannter Weise einen Reaktionsraum, wenigstens eine externe Energiequelle, über welche dem Reaktionsraum Energie zugeführt werden kann, einen Reaktionsprodukt-Speicher zur Speicherung eines partikulären Reaktionsprodukts, eine Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung, die zwischen dem Reaktionsprodukt-Speicher und dem Reaktionsraum angeordnet ist, um ein partikuläres Reaktionsprodukt vom Feststoffspeicher in den Reaktionsraum zu fördern, und wenigstens einen Edukt-Speicher zur Aufnahme von Edukten, die bei der Zerlegung des Reaktionsprodukts in dem Reaktionsraum unter Aufwendung von Energie entstehen, wobei der wenigstens eine Edukt-Speicher mit dem Reaktionsraum über eine Edukt-Fördereinrichtung verbunden ist, um das Edukt aus dem Reaktionsraum in den Edukt-Speicher zu fördern. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 10 2009 052 304 A1 vorbekannt. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Energiequelle als eine elektromagnetische Energiequelle und insbesondere eine Mikrowellenstrahlung erzeugende Energiequelle ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermochemischen Energiespeicherung wird ein geeignetes Reaktionsprodukt in dem Reaktionsprodukt-Speicher in partikulärer Form, d.h. in Form einer Pulverschüttung, zur Verfügung gestellt. Im Betrieb wird das Reaktionsprodukt kontinuierlich oder chargenweise aus dem Reaktionsprodukt-Speicher dem Reaktionsraum über die Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung zugeführt. Im Reaktionsraum wird das Reaktionsprodukt unter Zuführung von Mikrowellenenergie in seine Edukte zerlegt. Dabei entstehen als Edukte ein Feststoff und ein Gas bzw. Dampf. Das feststoffförmige Edukt wird über die Edukt-Fördereinrichtung dem Edukt-Speicher zugeführt. Das gasförmige Edukt wird über eine Fluidleitung aus dem Reaktionsraum abgeführt. An die Fluidleitung kann ein Wärmetauscher angeschlossen sein, um dem Fluid Wärme zu entnehmen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere sinnvoll, wenn es sich bei dem Fluid um Wasserdampf handelt, wie er beispielsweise bei der Edukt-Zerlegung von Kalzium- oder Magnesiumhydroxid entsteht. Die gewonnene Wärme kann beispielsweise eingesetzt werden, um das Reaktionsprodukt vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum vorzuwärmen. In diesem Fall ist die Fluidleitung insbesondere mit einer Reaktionsprodukt-Leitung der Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung gekoppelt. Die dem Fluid entnommene Wärme kann aber auch auf jede andere geeignete Weise verwendet werden.
Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zur thermochemischen Energiespeicherung gemäß der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung umfasst einen Reaktionsraum 1 und eine externe Energiequelle in der Form einer Mikrowellenstrahlung erzeugenden Energiequelle 2 – nachfolgend auch Mikrowelleneinrichtung 2 genannt – über welche dem Reaktionsraum Energie zugeführt werden kann. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung einen Reaktionsprodukt-Speicher 3 zur Speicherung eines partikulären Reaktionsprodukts, hier Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂). Der Reaktionsprodukt-Speicher 3 ist mit dem Reaktionsraum 1 über eine Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung 4, die eine Reaktionsprodukt-Leitung 5 umfasst, verbunden, um ein partikuläres Reaktionsprodukt von dem Reaktionsprodukt-Speicher 3 in den Reaktionsraum 1 zu fördern. Die Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung 4 kann dabei ausgebildet sein, das Reaktionsprodukt dem Reaktionsraum 1 chargenweise – d.h. in einem Batch-Betrieb – oder kontinuierlich zuzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin einen Edukt-Speicher 6 zur Aufnahme eines Edukts, hier Kalziumoxid (CaO), das bei einer Zerlegung des Reaktionsprodukts (Ca(OH)₂) in dem Reaktionsraum 1 unter Aufwendung von Mikrowellenenergie entsteht. Der Edukt-Speicher 6 ist mit dem Reaktionsraum 1 über eine Edukt-Fördereinrichtung 7 mit einer Edukt-Leitung 8 verbunden. Schließlich ist an den Reaktionsraum 1 eine Fluidleitung 9 angeschlossen, über welche aus dem Reaktionsraum 1 Wasserdampf (H₂O), der bei der Zerlegung des Kalziumhydroxids (Ca(OH)₂) entsteht, abzuführen. An die Fluidleitung 9 ist ein Wärmetauscher 10 angeschlossen, in welchen der Wasserdampf unter Abgabe von Wärme, die in gewünschter Weise verwendet werden kann, abgeführt wird. Die Fluidleitung 9 mündet auslassseitig in einen Fluidspeicher 11.
Im Betrieb wird das in dem Reaktionsprodukt-Speicher 3 enthaltene Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂) über die Fördereinrichtung 4 in den Reaktionsraum 1 transportiert. Dort wird es mit der Mikrowellenenergie, welche von der Mikrowelleneinrichtung 2 erzeugt wird, angeregt und auf diese Weise so stark erwärmt, dass das Kalziumhydroxid nach der Reaktion Ca(OH)₂ → CaO + H₂O in einer endothermen Reaktion zerlegt wird. Das entstehende Kalziumoxid (CaO) wird über die Edukt-Fördereinrichtung 7 in den Edukt-Speicher 6 transportiert, und der entstehende Wasserdampf (H₂O) wird über die Fluidleitung 9 aus dem Reaktionsraum 1 abgeführt und in dem Wärmetauscher 10 unter Abgabe von Wärmeenergie kondensiert. Das entstehende Wasser wird schließlich in dem Fluidspeicher 11 gespeichert.
Grundsätzlich ist es möglich, mit der gleichen Vorrichtung auch Wärme wieder freizusetzen.
In diesem Fall wird dem Reaktionsraum 1 Kalziumoxid (CaO) aus dem Edukt-Speicher 6 über die Edukt-Fördereinrichtung 7 zugeführt. Gleichzeitig wird aus dem Fluidspeicher 11 dem Reaktionsraum 1 Wasser zugeführt. In dem Reaktionsraum findet dann eine Reaktion nach der Gleichung CaO + H₂O → Ca(OH)₂ unter Abgabe von Wärmeenergie statt, die durch einen geeigneten Wärmetauscher dem Reaktionsraum entnommen werden kann. Das entstehende Kalziumhydroxid kann über die Fördereinrichtung 4 dem Reaktionsprodukt-Speicher 3 zugeführt werden. Eine solche reversibel arbeitende Vorrichtung ist aus der DE 10 2009 052 304 A1 vorbekannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009052304 A1 [0013, 0018]

Claims

Verfahren zur Speicherung von Wärme, bei dem ein Reaktionsprodukt unter Aufwendung von Energie in Edukte zerlegt wird, welche in einer exothermen Reaktion wieder zusammengeführt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsprodukt ein Material oder ein Materialgemisch verwendet wird, das durch elektromagnetische Energie erwärmbar und so in seine Edukte zerlegbar ist, und dass dem Reaktionsprodukt elektromagnetische Energie zugeführt wird, um das Reaktionsprodukt zu zerlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsprodukt ein pulverförmiges Material oder Materialgemisch verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsprodukt ein Material oder Materialgemisch verwendet wird, welches durch Mikrowellenstrahlung erwärmbar und in seine Edukte zerlegbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktionsprodukt ein Material oder Materialgemisch verwendet wird, welches Dipole aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt ein Material, das der chemischen Gruppe der Hydroxide angehört, aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material Kalziumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt ein Material, das der Gruppe der Hydrate angehört, aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt ein Kalziumchloridhydrat ist.
Vorrichtung zur thermochemischen Energiespeicherung mit einem Reaktionsraum (1), wenigstens einer externen Energiequelle (2), über welche dem Reaktionsraum (1) Energie zugeführt werden kann, einem Reaktionsprodukt-Speicher (3) zur Speicherung eines partikulären Reaktionsprodukts, einer Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung (4), die zwischen dem Reaktionsprodukt-Speicher (3) und dem Reaktionsraum (1) angeordnet ist, um ein partikuläres Reaktionsprodukt vom Reaktionsprodukt-Speicher (3) in den Reaktionsraum (1) zu fördern, und wenigstens einem Edukt-Speicher (6) zur Aufnahme von Edukten, die bei einer Zerlegung des Reaktionsprodukts in dem Reaktionsraum (1) unter Aufwendung von Energie entstehen, wobei der wenigstens eine Edukt-Speicher (6) mit dem Reaktionsraum (1) über eine Edukt-Fördereinrichtung (7) verbunden ist, um das Edukt aus dem Reaktionsraum (1) in den Edukt-Speicher (6) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle als eine elektromagnetische Energiequelle (2) und insbesondere eine Mikrowellenstrahlung erzeugende Energiequelle (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung (4) ausgebildet ist, um ein Reaktionsprodukt aus dem Reaktionsprodukt-Speicher (3) chargenweise in den Reaktionsraum (1) zu fördern.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukt-Fördereinrichtung (7) ausgebildet ist, um ein Edukt chargenweise aus dem Reaktionsraum (1) in den Edukt-Speicher (6) zu fördern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung (4) ausgebildet ist, um das Reaktionsprodukt kontinuierlich von dem Reaktionsprodukt-Speicher (3) in den Reaktionsraum (1) zu fördern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Edukt-Fördereinrichtung (7) ausgebildet ist, um das Edukt kontinuierlich aus dem Reaktionsraum (1) in den Edukt-Speicher (6) zu fördern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche den Betrieb der Energiequelle (2) und/oder der Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung (4) und/oder der Edukt-Fördereinrichtung (7) steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, um dem Reaktionsprodukt vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum Wärme zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher an eine Reaktionsprodukt-Leitung der Reaktionsprodukt-Fördereinrichtung angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an den Reaktionsraum (1) eine Fluidleitung (9) angeschlossen ist, um aus dem Reaktionsraum (1) dampf- und/oder gasförmige Fluide, die bei einer Zerlegung des Reaktionsprodukts in dem Reaktionsraum (1) als Edukt entstehen, abzuführen, und dass an die Fluidleitung (9) ein Wärmetauscher (10) angeschlossen ist, um aus dem Fluid Wärme auszukoppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 17 und Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Wärmetauscher (10) der Fluidleitung (9) entnommene Wärme genutzt wird, um das Reaktionsprodukt vor seinem Eintritt in den Reaktionsraum (1) aufzuwärmen.