DE102018109185A1 - Verfahren zur verlustfreien Speicherung von thermischer Energie in adsorptiven Kleinstpartikeln - Google Patents

Verfahren zur verlustfreien Speicherung von thermischer Energie in adsorptiven Kleinstpartikeln Download PDF

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Abstract

Das vorgeschlagene Verfahren bietet die Möglichkeit, Adsorbens in kleinen und kleinsten Agglomeraten (< 1 mm) zu verwenden. Der Agglomerationsprozess ist aufwendig und kostenintensiv, was einer breiten Vermarktung von sorptiven oder thermo-chemischen Wärmespeichern entgegensteht. Durch dieses Verfahren entfällt die Beschränkung der Verwendung großer Agglomerate.

Description

  • Die Erfindung betrifft Verfahren zum verlustfreien Speichern thermischer Energie in adsorptiven Kleinstpartikeln. Die Bedeutung der Energiespeicherung wird durch Anforderungen an die Netzstabilität bei vermehrter Einspeisung von erneuerbaren Energien und durch die jüngsten Entwicklungen in geostrategischen Lagen des Nahen Osten und der Ukraine eindrucksvoll bestätigt. Der zunehmende Druck zur Reduktion des Primärenergieverbrauchs im häuslichen, gewerblichen und industriellen Bereich erfordert die vermehrte Nutzung erneuerbarer und heimischer Primärenergiequellen. Jedoch sind größere solare Energiemengen in Mittel- und Nordeuropa in der Übergangs- und Winterzeit nur bedingt verfügbar. Es bedarf Speicherungssystemen, die in der Lage solare Wärme des Sommers zu speichern und im Winter wieder verfügbar zu machen.
  • Reversible thermo-chemische oder sorptive Gas-Feststoff-Reaktionen können die Grundlage für ein solches Speicherkonzept bilden. Die Grundlage eines solchen Wärmespeichers ist die reversible Zersetzung einer chemischen Verbindung (AB) durch Wärmezufuhr oder die reversible, meist exotherme Anlagerung von Molekülen an der Grenzfläche eines Feststoffes: AB(Feststoff) + ΔH ↔ A(Feststoff) + B(gasförmig)
  • Durch das Prinzip der thermo-chemischen oder sorptiven Speicherung von Wärme (ΔH) können sich mehrere Vorteile ergeben, wie z.B. eine hohe Speicherdichte, eine nahezu verlustfreie Speicherung von Wärme über lange Zeiträume und potentiell günstige Speichermaterialien.
  • Je nach ausgewählten Sorptions- oder Reaktionssystem kann die Speicherung über einen weiten Temperaturbereich stattfinden, auch die Einspeicherung von Wärme bei erhöhter Temperatur ist möglich. Darüber hinaus können Gas-Feststoff-Reaktionen zur Wärmetransformation (Wärmepumpeneffekt) genutzt werden. Dies bedeutet, dass die Entladetemperatur de Speicher oberhalb der Ladetemperatur liegt. Dies ist für hausenergietische Anwendungen für die Nutzung von Niedertemperatur-Umweltwärmen, aber auch für die Nutzung und Speicherung von Prozesswärme interessant.
  • Das nachstehende Verfahrenskonzept dient zur (Langzeit-)Speicherung von Wärme mittels Sorption oder Gas-Feststoff-Reaktionen im häuslichen oder gewerblichen Umfeld.
  • Herkömmliche Wärmespeicher nutzen Speichermedien wie Wasser, die sich durch eine hohe Wärmekapazität auszeichnen. Gespeichert wird sensible Wärme. Wärmespeicherung, auch über längere Zeiträume, wird derzeit ausschließlich über sensible Wärmespeicher realisiert. Saisonale Wärmespeicherung lässt sich so nur mittels sehr großer Speichervolumina erreichen. Am weitesten verbreitet ist der Wasserspeicher, aber auch Beton- und Felsenspeicher sind bekannt und werden auch genutzt. Allen sensiblen Wärmespeicher sind die beschränkte Speicherkapazität und deren verlustbehaftete Speicherung durch Wärmestrahlung und Wärmeleitung durch die Isolierung an die Umgebung gemeinsam. Große Wärmemengen über lange Zeiträume nahezu verlustfrei zu speichern, ist mit sensiblen Wärmespeichern daher nicht möglich.
  • Sorptive oder thermo-chemische Wärmespeicher sollen nach o.g. Prinzip diesen Mangel zukünftig beheben. Dazu läuft in Deutschland und international eine Reihe von Forschungsaktivitäten.
  • Bei sorptiven Wärmespeichern unterscheidet man zwei reaktionstechnische Konzepte: Internes Reaktorkonzept: Die Materialbevorratung ist auch gleichzeitig der Reaktionsort. Externe Reaktorkonzept: Materialbevorratung und Reaktionszone sind getrennt.
  • Der Vorteil des internen Reaktorkonzeptes ist, dass kein Speichermaterialtransport zwischen Bevorratung und Reaktionszone erforderlich ist. Nachteil dieses Konzeptes ist, dass die Be- und Entladung regelungstechnisch schwierig ist, und dass die Kapazität und Leistung des Speicher nicht entkoppelbar sind.
  • Das externe Reaktorkonzept bietet eines sorptiven Wärmespeichers (Trennung von Materialbevorratung und Reaktionsraum (vgl. 1)) ermöglicht die eine Integration verschiedener Anlagentechniken sowie eine Entkoppelung von Be- und Entladeleistung von der Wärmespeicherkapazität. So können zur Beladung des Speichers (Regeneration des Sorptionsmittels) unterschiedliche Antriebsenergien (7) genutzt werden. Als Antriebsenergie können von solarthermischen Anlagen, Kraft-Wärme-Koppelungsanlagen sowie photovoltaischen Anlagen und die Abwärme von industriellen oder sonstigen Prozessen genutzt werden. Zusätzlich wird das modulare Konzept eine hervorragende Skalierbarkeit der der Wärmespeicherkapazität erreicht, so dass Wärmespeicher (8) in Gebäuden und gewerblichen Anlagen mit ganz verschiedenem Wärmebedarf eingesetzt werden kann. Die Desorptionsleistung (4) und die Adsorptionsleistung (5) können über eine entsprechende Anpassung des Reaktors (2) dem Gebäudebedarf angepasst werden.
  • National und international befassen sich eine mehre Forschungseinrichtungen mit der Verfahrensentwicklung eines sorptiven bzw. thermo-chemischen Wärmespeichers. Die Schwerpunkte der Forschungsaktivitäten liegen vor allem im Bereich der sorptiven Wärmespeicherung mittels interner Reaktorkonzepte. Nur relativ wenige Forschungsvorhaben haben die verfahrenstechnische Entwicklung eines sorptiven oder thermo-chemischen Wärmespeichers mittels externer Reaktorkonzepte zum Gegenstand.
  • Beiden sorptiven oder thermo-chemischen Wärmespeicherkonzepten ist gemeinsam, dass die verwendeten Speichermaterialien in der Herstellung kostenintensiv sind. Das Reaktorkonzept eines sorptiven oder thermo-chemischen Wärmespeichers muss verschiedene Anforderungen erfüllen: Das Adsorptiv muss eine gute Zugänglichkeit zum Adsorbens haben, die beim De- und Adsorptionsprozess freiwerdende Wärme muss abgeführt werden, das Adsorbat muss ungehindert in de Gasphase übergehen können, die Reaktorkonzepte müssen hinsichtlich Stoff- und Wärmetransport optimiert sein.
  • Externe Reaktorkonzepte können als geschlossene und offene Konzepte ausgeführt werden. Das externe offene Reaktorkonzept beruht auf einer luftseitig offenen Prozessführung mit einem von der Materialbevorratung getrennten, externen Reaktor, in dem die thermische Speicherbe- und entladung stattfindet. Über den Luftstrom erfolgt die Zu- bzw. -abfuhr der Reaktionswärme und des für die Reaktion benötigten Adsorptivs, in der Regel Wasserdampf. Mit derzeitigen Speichermaterialien können bei dieser Konzeption Energiespeicherdichten realisiert werden, die ca. drei bis viermal höher sind als die konventioneller Warmwasserspeicher. Wärmeverluste treten nur während der Be- und Entladung des Speichers auf und sind damit unabhängig von der Dauer der Speicherung im Gegensatz zu herkömmlichen sensiblen Wärmespeichern. Dies ist neben der höheren Speicherdichte in Hinblick auf eine effiziente Langzeitspeicherung ein entscheidender Vorteil gegenüber der Speicherung fühlbarer Wärme, die stets verlustbehaftet ist.
  • Nachteilig an dieser Prozessführung bisher ist, dass die Speichermaterialalien nur als Agglomerate einer bestimmten Korngröße (z.B. > 2mm) eingesetzt werden können; damit die Zugänglichkeit des Adsortivs an das Speichermaterial erhalten bleibt und die luftseitigen Druckverluste einen technisch sowie wirtschaftlichen sinnvollen Betrieb des sorptiven Speichers erlauben. Das Adsorbens liegt nach seiner Synthese in der Regel als Pulver und muss erst einem Agglomerationsprozess unterzogen. Dieser Prozess ist aufwendig und kostenintensiv, was sich negativ auf die Kosten des Adsorbens und somit auf den wirtschaftlichen Betrieb des sorptiven bzw. thermo-chemischen Wärmespeichers auswirkt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur sorptiven bzw. thermo-chemischen Wärmespeicherung zu schaffen, welches es erlaubt, das Adsorbens pulverförmig zu verwenden, ohne dass die Druckverluste, der Stoff- und Wärmetransport negativ beeinflusst werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Überlegung, das pulverförmige Adsorbens mit Förderluft, welche das Adsorptiv in der Mischkammer (5) zu vermischen in einem Reaktorraum (12) zu fördern, welcher eine ausreichende Verweilzeit für Adsorptiv und Adsorbens für die Reaktion bereitstellt. Der Reaktionsraum (12) ist dabei idealerweise so ausgestaltet, dass er die Luftströmung der Förderluft derart verlangsamt, dass das Adsorbens unter Einfluss der Schwerkraft den Wärmeübertrager (13) rieseln kann. Durch den Klappenmechanismus (3) kann das Adsorbens den Auffangbehälter (31) gelangen. Der Auffangbehälter (31) kann so dimensioniert sein, dass er das Adsorbens von 24 oder 48 Stunden Vollbetrieb des Speichers aufnehmen kann, so dass nur ein oder alle zwei Tage, dieser geleert werden muss.
  • Über die Luftleitung (14) kann trockene und gefilterte Förderluft bereit gestellt werden. Über das Saugebläse (19) wird das Adsorbens aus dem Pulverauffangbehälter (Tagesbehälter) über die Förderleitung (15) zu den Vorratsbehälter (17) bzw. (22) geleitet. In den Abscheidern ((16) bzw. (21) wird die Förderluft von dem Adsorbens getrennt. Über in Förder- und Klappensystem (nicht dargestellt) gelangt das Pulver in den Vorratsbehälter (17) bzw. (22). Ein Vorratsbehälter enthält das desorbierte Adsorbens, welches kein Adsorptiv mehr enthält, und in dem anderen Behälter wird das Adsorbens gelagert, welches mit Adsorptiv beladen ist.
  • In einer besonders günstigen Ausführung ist die Leitung (18) bzw. (20) mit dem Sauggebläse (10) verunden, so dass auf das Sauggebläse (19) verzichtet werden kann. In diesem Fall ist das Gebläse (10) entsprechend leistungsstark oder aber der Reaktorbetrieb wird solange unterbrochen, wie das Gebläse für die Förderung des Adsorbens aus dem Auffangbehälter (31) in einen der Vorratsbehälter (17) bzw. (22) genutzt wird.
  • Über die Leitung (32) kann Pulver aus den Vorratsbehälter (17) bzw. (22) in die Mischkammer (5) gefördert. In der Mischkammer (59 wird es mit der entsprechend konditionierten Prozessluft (4) oder (26) je nach Betriebsfall vermischt.
  • In nachfolgenden werden die beiden Betriebsfälle für die Desorption bzw. Adsorption beschrieben:
  • Adsorptionsbetrieb:
  • Für den Adsorptionsbetrieb wird eine entsprechend konditionierte Prozessluft (4) benötigt. In diesem Bespiel soll Wasser bzw. Wasserdampf das Adsorptiv sein. Über die Leitung (1) Umgebungsluft angesaugt und im Rekuperator (28) erwärmt. Über die Luftleitung (27) wird diese erwärmte Luft dem Befeuchter (3) zugeführt. In diesem Betriebsfall ist die Luftleitung (26) geschlossen. In dem Befeuchter (3) wird das Adsorptiv in der entsprechend benötigten Menge verdampft und über die Prozessluftleitung (4) der Mischkammer (5) zugeführt. In der Mischkammer (5) setzt bereits die Reaktion zwischen Adsorbens und Adsorptiv ein. Die Mischung wird über die wärmeisolierte Leitung (6) durch den Überhitzer (7) geleitet), welcher im Falle der Adsorption nicht in Betrieb ist. Er wird für die endotherme Rückreaktion benötigt. Über die Leitung 23, welche ebenfalls wärmeisoliert ist, dem Reaktor (12) zugeführt. Der Reaktor (12) ist als Zyklon ausgeführt und erfüllt mehrere Aufgaben: Weitere Durchmischung von Adsorbens und Adsorptiv, Bereitstellung der erforderlichen Verweilzeit, damit Adsorptiv und Adsorbens vollständig mit einander abreagieren können, Abtrennung des mit Adsorptiv beladenen Adsorbens von der adsorptivfreien Prozessluft
  • Das mit Adsorptiv beladene Adsorbens wird in Folge der Schwerkraft durch den Wärmeübertrager (13) geleitet), wo es restliche sensible Wärme an den Heizkreis oder einen anderen Wärmekreis, hier nicht dargestellt, abgibt. Durch den Klappenmechanismus (30) gelangt das beladene Adsorbens in den Auffangbehälter (31). Vor dort aus kann das beladene Adsorbens in den Vorratsbehälter gefördert werden, welcher für die Lagerung von beladenen Adsorbens vorgesehen ist.
  • Die adsorptivfreien Prozessluft wird über den Wärmeübertrager (24) geleitet. Im Wärmeübertrager (24) wird die adsorptivfreie Prozessluft abgekühlt und die Wärme auf einen nicht dargestellten Wärmeabnehmer übertragen, z.B. Heizkreis eines Hauses. In einem Filter (9) wird evtl. mitgerissenes Adsorbens zurückgehalten, so dass es nicht in die Umgebung gelangen kann. Vom Filter (9) wird die Prozessluft in den Rekuperator (28) geführt, wo diese mit der Umgebungsluft (1) weiter abgekühlt wird, bevor diese über die Förderleitung (8) dem Sauggebläse (10) zugeführt wird. Über den Leitung (11) wird die Luft der Umgebung wieder zugeführt.
  • Desorptionsbetrieb: Für den Desorptionsbetrieb wird entsprechend konditionierte Prozessluft benötigt. Im Falle von Wasser als adsorptiv wird trockene und warme Prozessluft benötigt, welche durch den Lufttrockner (2) bereitgestellt werden kann. Die Luft kann mit den nachstehenden Techniken entfeuchtet werden:
  • Sorptionsrotor mit Zeolith oder Silicagele, welche die Abwärme des Überhitzers (7) für die Regeneration nutzen
  • Adsorptionskolonnen mit Zeolith oder Silicagele, die diskontinuierlich und im Temperature-swing-mode (TSA) betrieben werden. Auch wird die Abwärme des Überhitzers (7) für die Regenration genutzt.
  • Adsorptionskolonnen mit Zeolith oder Silicagele, die diskontinuierlich und im pressure-swing-mode (PSA) betrieben werden. Hier kann in einer besonders günstigen Ausführung, dass Sauggebläse (10) oder (19) für die Regenration genutzt werden.
  • Kodensator: In diesem Verfahren wird die Umgebungsluft auf die gewünschte Taupunktstemperatur der späteren Prozessluft mittels einer Kältemaschine abgekühlt.
  • Dazu wird Umgebungsluft (1) in dem Rekuperator (28) vorgewärmt und über die Luftleitung (25) dem Lufttrockner (2) zugeführt. In dem Lufttrockner (2) wird das Adsorptiv Wasser von der Umgebungsluft abgetrennt bzw. die Umgebungsluft wird soweit entfeuchtet, dass diese den Desorptionsprozess nicht weiter behindert. Über die Leitung (26) wird diese vorbehandelte Luft der Mischkammer (5) zugeführt und dort mit dem mit Adsorptiv beladenen Adsorbens vermischt. Die Mischung wird über die Leitung (6) dem Überhitzer (7) zugeführt. Im Überhitzer (7) wird die für die Desorption erforderliche Temperatur und Wärmemenge in den Mischung eingebracht. Der Desorptionsprozess beginnt und die erwärmte Mischung wird über die Leitung (23) dem Reaktor (12) zugeführt. Der Reaktor (12) ist wärmeisoliert, ggf. können seine Wände zusätzlich beheizt werden, um den Desorptionsprozess zu verbessern bzw. um Wärmeverluste auszugleichen.
  • Das adsorptivfreie Adsorbens wird in Folge der Schwerkraft durch den Wärmeübertrager (13) geleitet, wo es restliche sensible Wärme an den Heizkreis oder einen anderen Wärmekreis, hier nicht dargestellt, abgibt. Durch den Klappenmechanismus (30) gelangt das beladene Adsorbens in den Auffangbehälter (31). Vor dort aus kann das adsorptivfreie Adsorbens in den Vorratsbehälter gefördert werden, welcher für die Lagerung von adsorptivfreien Adsorbens vorgesehen ist.
  • Die adsorptivbeladene Prozessluft wird über den Wärmeübertrager (24) geleitet. Im Wärmeübertrager (24) wird die adsorptivbeladene Prozessluft abgekühlt und die Wärme auf einen nicht dargestellten Wärmeabnehmer übertragen, z.B. Heizkreis eines Hauses. Dabei kann Adsorptiv kondensieren und wird über den Kondensatabscheider (33) und der Kondensatleitung (34) an die Umgebung abgeführt oder in einen nicht dargestellten Sammelbehälter für die Wiederverwendung.
  • In einem Filter (9) wird evt. mitgerissenes Adsorbens zurückgehalten, so dass es nicht in die Umgebung gelangen kann. Vom Filter (9) wird die Prozessluft in den Rekuperator (28) geführt, wo diese mit der Umgebungsluft (1) weiter abgekühlt wird, bevor diese über die Förderleitung (8) dem Sauggebläse (10) zugeführt wird. Über den Leitung (11) wird die Luft der Umgebung wieder zugeführt.
  • Insbesondere im Falle der Förderung des adsorptivfreien Adsorbens aus dem Auffangbehälter (31) in den entsprechenden Vorratsbehälter (17) bzw. (22) ist die Förderluft, welche über die Leitung (14) zugeführt wird, adsorptivfrei zugestalten. Dazu wird Im Desorptionsfall Zapfluft der Leitung (26) an der Entnahmestelle (28) entnommen für die Förderung zur Verfügung gestellt. Im Adsorptionsfall wird die entnahmestelle (28) zugeschaltet, dass keine Luft über die Leitung (26) mehr der Mischkammer (5) zugeführt werden kann. Durch diese Anordnung wird der Trockner (2) kontinuierlich für die De- und Adsorptionsprozesse genutzt.
  • Hier ist ein unterdruckbetriebenes System dargestellt. Es aber auch ein Überdruckbetriebenes System vorstellbar. In diesem Fall wird die Umgebungsluft (1) mittels eines Gebläses in das System gedruckt und das Adsorbens wird ebenfalls mittels einer Fördereinrichtung in die Mischkammer (5) gefördert oder gedrückt. Prinzipiell ändert sich die Anordnung aber nicht.
  • Im darstellten Ausführungsbeispiel wurde Wasser als Adsorptiv gewählt. Andere Adsorptive ist vorstellbar, z.B. Wasser bzw. Wasserdampf, Alkohole, Einwertige Alkohole mit der Summenformel CH3-(CH2)n-OH, Einwertige Alkohol mit n =0 (Methanol), Einwertige Alkohol mit n = 1 (Ethanol), Einwertige Alkohol mit n = 2 (Propanol), Einwertige Alkohol mit n = 3 (Butanol), Phenylmethanol, Zweiwertige Alkohole mit der Summenformel CH2OH-(CH2)n-CH2OH, Zweiwertiger Alkohol mit n = 0 (Ethylenglykol), Zweiwertiger Alkohol mit n = 1 (Propylenglykol), Mehrwertige Alkohole, Propantriol (Glycerin), Ammoniak, Alkane mit der Summenformel CnH2n+2, Methan n =1, Ethan n = 2, Propan n = 3, Butan n = 4, Pentan n = 5, Höhere Alkane n = 6 bis 10, Alkene mit der Summenformel CnH2n, Für n = 1 bis 5, Für n = 5 bis 10, Diene, Propandien.
  • Für den prozesstechnischen Erfolg ist die abgestimmte Zusammensetzung des adsorptiv mit dem Adsorbens entscheidend. Als Adsorbens werden hier vorgeschlagen: Zeolithe, als X-Zeolith, als Y-Zeolith, als Typ A Zeolith (Linde-Typ A), als Faujasit-Struktur, als Chabasit-Struktur, metallorganische Verbindungen (MOF = metal organic frameworks), koordinierte organische Verbindungen (COF = coordinated organic frameworks), Silicagele.
  • Das Verfahren ist dazu geeignet, die o.g. Adsorbens in Partikel- bzw. Agglomeratgrößen von 5µm bis 1 mm einzusetzen. Mit Modifikationen können auch größere Agglomerate des Adsorbens verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Umgebungsluft
    2
    Lufttrockner
    3
    Befeuchter
    4
    Luftleitung zur Förderung der befeuchteten Prozessluft
    5
    Mischkammer, ggf. auch Reaktionskammer
    6
    Förderleitung des Pulver-Prozessluftgemisches
    7
    Überhitzer, wird nur im Desorptionsfall genutzt
    8
    Abluftleitung
    9
    Luftfilter
    10
    Sauggebläse
    11
    Abluftleitung in die Umgebung
    12
    Reaktor ist als Partikelabscheider, z.B. Zyklon ausgeführt
    13
    Wärmeübertrager
    14
    Leitung zur Leitung der Förderluft
    15
    Förderleitung des Pulver-Luftgemisches
    16
    Abscheider und Speicheraufgabevorrichtung
    17
    Vorratsbehälter
    18
    Förderluftleitung
    19
    Saugebläse
    20
    Förderluftleitung
    21
    Abscheider und Speicheraufgabevorrichtung
    22
    Vorratsbehälter
    23
    Prozessluftleitung
    24
    Abwärmeaustauscher
    25
    Luftleitung
    26
    Luftleitung zur Förderung der trockenen Prozessluft
    27
    Luftleitung
    28
    Rekuperator
    29
    Abluftleitung Förderluft
    30
    Klappenmechanismus
    31
    Pulverauffangbehälter
    32
    Förderleitung des Pulver
    33
    Kondensatabscheider
    34
    Kondesatleitung

Claims (3)

  1. Verfahren zur verlustfreien Speicherung von thermischer Energie in adsorptiven Kleinstpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Adsorbens mit Förderluft, welche das Adsorptiv in der Mischkammer (5) vermischt und in einem Reaktorraum (12) fördert, welcher eine ausreichende Verweilzeit für Adsorptiv und Adsorbens für die Reaktion bereitstellt, wobei durch die Ausgestaltung des Reaktionsraums (12) die Luftströmung der Förderluft derart verlangsamt wird, dass das Adsorbens unter Einfluss der Schwerkraft in den Wärmeübertrager (13) rieseln kann und durch einen Klappenmechanismus (3) in einen Auffangbehälter (31) gelangen kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens mindestens 24 Stunden Vollbetrieb, bevorzugt mindestens oder 48 Stunden Vollbetrieb im Auffangbehälter (31) aufgenommen werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Luftleitung (14) trockene und gefilterte Förderluft bereit gestellt wird und über ein Saugebläse (19) das Adsorbens aus dem Pulverauffangbehälter über eine Förderleitung (15) zu einem Vorratsbehälter (17) bzw. (22) geleitet wird, so dass in den Abscheidern (16) bzw. (21) die Förderluft von dem Adsorbens getrennt wird.
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