EP4472761A1 - Thermochemisches reaktorsystem sowie solaranlage mit thermochemischem reaktorsystem - Google Patents

Thermochemisches reaktorsystem sowie solaranlage mit thermochemischem reaktorsystem

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EP4472761A1
EP4472761A1 EP23704071.2A EP23704071A EP4472761A1 EP 4472761 A1 EP4472761 A1 EP 4472761A1 EP 23704071 A EP23704071 A EP 23704071A EP 4472761 A1 EP4472761 A1 EP 4472761A1
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EP
European Patent Office
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reactor
heating chamber
chamber
opening
reactor system
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Application number
EP23704071.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fabio Pierno
Stefan Brendelberger
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Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • F24S60/20—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors using chemical reactions, e.g. thermochemical reactions or isomerisation reactions

Definitions

  • thermochemical reactor system and solar systems with thermochemical reactor system
  • the present invention relates to a thermochemical reactor system and a solar system with a thermochemical reactor system.
  • a redox material for the production of hydrogen or synthesis gas, the redox material being used in redox cycle processes for splitting water and CO 2 .
  • the redox material is heated for chemical reduction.
  • the heating is carried out using solar energy, with the redox material absorbing concentrated solar radiation.
  • Initial concepts envisage that a particulate solid medium is used for the solar generation of hydrogen by means of such thermochemical cycle processes.
  • the solid medium is thermally reduced with the help of solar energy at high temperatures via a chemical reaction and thus activated for the subsequent reaction. Steam is added to this at a later point in time.
  • the medium is oxidized by the oxygen in the water, producing hydrogen.
  • the oxidized medium has to be reduced again at high temperatures.
  • the particles fall freely through the focus of the concentrated solar radiation or are moved by it. Then, the particles are moved into a reactor to carry out the oxidation.
  • DE 10 2018 201 319 A1 discloses a system in which blocks of redox material are transported through the receiver by means of a conveyor device.
  • the transport of the blocks through the receiver is problematic due to the high temperatures.
  • the reactor system according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the solar system according to the invention is defined by the features of claim 22.
  • the reactor system according to the invention has a heating chamber and at least one reactor with a reactor chamber, which has a first opening, and with a first separating device, via which the first opening can be opened and closed in a gas-tight manner.
  • a conduit device for supplying and/or removing fluid is connected to the reactor chamber.
  • the at least one reactor has at least one reaction device with at least one solid medium block.
  • the reactor system according to the invention also has at least one transport device via which the at least one reaction device is removed from the reactor chamber through the first opening into a first position in which the at least one reaction device is at least partially arranged in the heating chamber, and out of the heating chamber into a second position in which which the at least one reaction device is at least partially arranged in the reactor chamber of the at least one reactor, can be transported.
  • the at least one reaction device is heatable in its first position in the heating chamber to activate the at least one block of solid medium.
  • the reactor chamber also has a second opening, which is arranged on the reactor on the opposite side of the first opening, the at least one transport device being guidable or guided through the second opening in order to transport the at least one reaction device, with a second separating device the second opening can be opened and closed in a gas-tight manner.
  • the second separating device has a sealing plate and a sealing device is arranged between the sealing plate and a wall section surrounding the second opening on the side of the sealing plate facing away from the reactor chamber.
  • the at least one reactor can thus be arranged directly on the heating chamber or connected to it, for example, via a connecting piece.
  • the at least one reaction device in the heating chamber can be heated, for example, by means of an arc plasma or a heat transfer medium, for example a gas, introduced into the heating chamber, with the heat transfer medium being produced outside the reactor system in a conventional manner, for example via a combustion or solar process. can be heated.
  • a heat transfer medium for example a gas
  • the heating chamber has at least one radiation opening, it being possible to introduce concentrated solar radiation into the heating chamber through the radiation opening.
  • the Reaction device can be designed as a solar absorber device, so that the concentrated solar radiation is radiated onto the solid medium block and absorbed by this for heating the solid medium block.
  • the reaction device is heated at least partially indirectly via solar radiation, in which the heating chamber is heated by concentrated solar radiation and the reaction device is heated by thermal radiation in the heating chamber and solar radiation reflected in the heating chamber.
  • the reactor system according to the invention advantageously enables the reaction device to be transported from the reactor chamber into the heating chamber and back again into the reactor chamber.
  • the first and second separation device makes it possible to create a different atmosphere in the reactor chamber than the environment and, for example, from the heating chamber, for example to carry out a reaction, by sealing the reactor chamber gas-tight with respect to the other by means of the first and second separation device.
  • the solid medium block can be activated by heating so that it is prepared for the subsequent reaction in the reactor chamber.
  • the sealing device is arranged between the sealing plate and the wall section surrounding the second opening on the side of the sealing plate facing away from the reactor chamber, an axial seal is formed. This has the advantage that when an overpressure is generated in the reactor chamber, the sealing plate is pressed in the closed state away from the reactor chamber, which increases the contact pressure of the sealing device and thus increases the sealing effect.
  • the sealing device can be arranged on the sealing plate and/or the wall section surrounding the second opening.
  • the heating chamber can be arranged, for example, as a solar radiation receiver on a solar tower, with the concentrated solar radiation being directed onto the solar radiation receiver by means of one or more heliostats, or as a receiver on a solar dish system.
  • the solid medium block may have a cube shape, a parallelepiped shape, a circular cylinder or cylinder shape, a cone shape, or a more complex shape.
  • the reaction device can also have a plurality of solid medium blocks which have one of the forms mentioned.
  • the reaction device can also have a plurality of solid medium blocks which are assembled into a rod shape, for example.
  • a circular-cylindrical block of solid medium has the particular advantage that relatively uniform heating can take place when it is irradiated from several sides, for example by means of thermal radiation.
  • the solid medium block may consist of a redox material such as CeC, doped CeC, CuzO/CuO, MnsCu/MnzCh, COO/CO3O4, ferrites (AxFes-xCU) or perovskites.
  • a redox material such as CeC, doped CeC, CuzO/CuO, MnsCu/MnzCh, COO/CO3O4, ferrites (AxFes-xCU) or perovskites.
  • the activation in the heating chamber takes place as a reduction.
  • the material of the solid medium block is preferably porous. As a result, parts of concentrated solar radiation or thermal radiation radiated onto the reaction device in the heating chamber can penetrate into the interior of the solid medium block, so that improved absorption of the radiation or solar radiation and thus heating of the solid medium block can be achieved. When heated with a heat transfer medium, a larger surface is formed due to the porosity, which improves the heat transfer.
  • the increased surface area of the solid medium block When used as a reaction medium, the increased surface area of the solid medium block also offers an increased reaction surface area, as a result of which the reactions can take place in an improved manner.
  • the reaction device according to the invention preferably has a solid medium block made from a redox material, so that the reaction device can be used in a redox cycle process.
  • the redox material can be used in the heating chamber in an appropriate atmosphere, for example with a reduced total pressure, by means of the concentrated solar radiation are heated, resulting in a reduction of the redox material.
  • the reaction device is transported into the reactor chamber, which can be separated from the heating chamber by means of the separating device.
  • water vapor for example, is fed to the reduced redox material via the line device, the water vapor being split, with the result that hydrogen is produced.
  • the reaction apparatus of the present invention may also include a solid media block of another material (e.g., a catalyst material) used for reactions other than redox reactions.
  • the solid medium block can also consist of a material whose surface binds molecules (adsorption), for example an alkali metal oxide or an alkaline earth metal oxide, for example CaO.
  • a pane that is transparent to solar radiation is understood to mean a pane that has a hemispherical, solar (AMI, 5) transmittance of at least 85% for solar radiation.
  • AMI hemispherical, solar
  • the heating chamber can be closed, so that a desired atmosphere can be generated in the heating chamber.
  • a gas suction device for example at least one vacuum pump, can be provided on the heating chamber, so that a negative pressure can be generated in the heating chamber.
  • a purge gas can also be used to remove oxygen.
  • Appropriate lines can be connected to the heating chamber for the flushing gas.
  • the released oxygen can advantageously be sucked out of the heating chamber at least partially by means of gas suction.
  • a low oxygen partial pressure therefore prevails in the heating chamber, so that the reduction reaction is promoted and renewed oxidation of the solid medium is prevented.
  • an oxygen-absorbing material is arranged in the heating chamber or in a chamber connected to it.
  • the oxygen-scavenging material can also be used, for example, in combination with a purge gas.
  • Such an arrangement enables the reaction devices to be transported from the heating chamber into the reactor chamber and back in a particularly simple manner, since the transport only has to take place in one direction, namely the vertical direction. Since the reaction devices have very high temperatures after being irradiated with the concentrated solar radiation, the handling of the reaction devices is relatively complex in terms of design due to the thermal loads on the environment. Due to the arrangement of the heating chamber and the reactor chamber according to the invention, transport in only one direction is necessary, so that the transport device can be designed in a correspondingly simple manner. As a result, the design effort is kept comparatively low even in the case of high thermal loads.
  • the arrangement of the at least one reactor directly on the heating chamber also means that the transport routes are very short.
  • the heating chamber has walls absorbing solar radiation, wherein solar radiation radiated into the heating chamber through the at least one radiation opening can be absorbed for heating the walls.
  • the heating chamber forms a cavity in which the incident solar radiation is absorbed.
  • a reaction device set in the heating chamber can be heated by thermal radiation radiated from the walls.
  • the walls of the heating chamber can partially reflect the solar radiation and for the solar radiation to be fully absorbed only after multiple reflections on the walls.
  • the reflected solar radiation can, for example, also hit one of the reaction devices and be absorbed by it, which also contributes to the heating of the reaction device.
  • a receiving chamber which is separated from the heating chamber by a partition wall, can adjoin the heating chamber.
  • the at least one transport device and the at least one reactor can be arranged in the receiving chamber.
  • the first openings are arranged in the partition, for example.
  • the reactor system according to the invention can have, for example, a two-part container which forms the heating chamber and the receiving chamber.
  • the heating chamber and the receiving chamber are separated from one another by means of the partition wall.
  • the at least one first opening is arranged in the partition wall.
  • the at least one reactor is arranged on the side of the dividing wall facing the receiving chamber and is fastened to the dividing wall.
  • the receiving chamber forms an advantageous space for arranging the at least one reactor and the at least one transport device.
  • the partition separates the heating chamber and the receiving chamber.
  • a thermal separation from the heating chamber can also be provided, so that the receiving chamber is prevented from being heated too much.
  • the reactor system according to the invention has a plurality of reactors with at least one reactor chamber, with each reactor chamber having a first opening via which the reactor chamber is connected, for example, to the heating chamber, with the first openings each being openable and gas-tightly closable via a first separating device and wherein each reactor has a respective reaction device.
  • each reactor chamber having a heating chamber and a receiving chamber, all of the reactors may be located in the receiving chamber and the first openings formed in the partition.
  • multiple reaction devices can be used. This makes it possible to operate the reactor system according to the invention continuously, for example, by arranging only part of the reaction devices in the heating chamber and the other part for carrying out, for example, an oxidation reaction in the respective reactor chambers.
  • the first separating device can have a sliding plate which closes the first opening in a gas-tight manner. If several reactors are provided, each first separation device can have a corresponding slide plate.
  • the first opening can be closed in a structurally simple manner by means of a sliding plate.
  • gas-tight sealing of the closed first opening can advantageously be achieved by means of a sliding plate.
  • the sliding plate can be raised by means of an incline, for example by means of a wedge, to achieve a sealing effect and pressed against a guide plate. It is preferably provided that the sealing takes place on the side of the sliding plate facing the heating chamber, for example by means of a seal arranged on this side of the sliding plate. This has the advantage that the generation of an overpressure prevailing in the reactor chamber presses the sliding plate in the closed state in the direction of the heating chamber, as a result of which the contact pressure of the seal is increased.
  • the sealing plate is designed as a sliding plate which closes the second opening in a gas-tight manner.
  • the first and second separating device can thus be of essentially the same design.
  • the reaction device has a base device on which the sealing plate is arranged. If several reactors are provided, each reaction device can have a corresponding base device.
  • the second separating device can thus also be designed in a form in which the base device of the reaction device forms at least part of the second separating device.
  • the base device can do the carry at least one solid medium block.
  • the transport device for transporting the reaction device can act on the base device.
  • the at least one solid medium block can be mounted on the base means. This can be done via a connecting device, for example by screwing or by means of a rod.
  • the base device can also consist of the same material as the at least one solid medium block and can be cohesively connected to the at least one solid medium block.
  • the sealing plate in this embodiment abuts the area surrounding the second opening to effect the sealing.
  • This embodiment also has the advantage that an overpressure generated in the reactor chamber presses the sealing plate and thus the entire reaction device against this area.
  • the transport device can be firmly connected to the base device.
  • a contact pressure of the sealing plate which is necessary to achieve a sealing effect, can be generated via the transport device.
  • the transport device is detachable from the base device.
  • the first separating device can have a vacuum seal and/or the sealing device of the second separating device can have a vacuum seal.
  • a sealing effect can be achieved in a particularly advantageous manner by means of a vacuum seal.
  • the first and/or the second separating device each have a further seal, which reduces convective heat transport to the vacuum seal. This can protect the vacuum seal from excessive heating.
  • One embodiment of the invention provides that at least one holder for the at least one reaction device is arranged in the reactor chamber.
  • the transport device on the reaction device settle the holder so that the reaction device is arranged in the reactor chamber in a defined position.
  • the transport device can remove the reaction device from the holder.
  • the heating chamber has a plurality of radiation openings which are arranged on different sides of the heating chamber. In this way, concentrated solar radiation can be introduced into the heating chamber from different sides.
  • the multiple radiation openings can each be sealed with a pane that is transparent to the solar radiation.
  • the at least one radiation opening can have a secondary concentrator.
  • the secondary concentrator By means of the secondary concentrator, it can be achieved in an advantageous manner that a very large proportion of the solar radiation radiated onto the radiation opening reaches the heating chamber.
  • the heating chamber may have a circular cylindrical shape with a domed ceiling.
  • the underside of the heating chamber can also have a curved shape.
  • Such a shape of the heating chamber has proven to be particularly advantageous.
  • the circular-cylindrical shape with a curved top and optionally a curved underside can achieve particularly high stability of the heating chamber.
  • the receiving chamber has a circular-cylindrical shape adapted to the heating chamber.
  • the invention also relates to a solar system with a plurality of reflectors concentrating solar radiation and a reactor system according to the invention.
  • the concentrating reflectors are designed as heliostats. If the heating chamber has a plurality of radiation openings, the heliostats can be arranged in subfields whose position is adapted to the individual positions of the radiation openings. As a result, solar radiation can advantageously be concentrated onto the reactor system from several sides, and in this way solar radiation can be conducted particularly effectively into the heating chamber.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a device according to the invention
  • FIG. 2a shows a schematic sectional view of a reactor of the reactor system according to the invention in FIG. 1,
  • 3a and 3b are schematic sectional views of a second variant of a reactor of a reactor system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a reactor system 1 according to the invention.
  • the reactor system 1 has a vessel 2 in which a heating chamber 3 is formed. Below the heating chamber 3 is a Arranged receiving chamber 5, which is separated from the heating chamber 3 by a partition wall 7.
  • the container 2 is circular-cylindrical and has a curved ceiling that delimits the heating chamber 3 .
  • a plurality of reactors 9 each having a reaction device 11 are arranged in the accommodation space 5 below the heating chamber 3 .
  • each reactor 9 has a reactor chamber 13.
  • FIG. 1 The reactor chambers 13 are each connected to the heating chamber 3 via a first opening 15 formed in the partition wall 7 .
  • the reaction devices 11 can be transported from a first position in which they are at least partially arranged in the heating chamber 3 to a second position in which the reaction devices 11 are each at least partially arranged in one of the reactors 9 .
  • a transport device 17 is arranged on each reactor 9, which is also arranged in the receiving chamber 5.
  • the reaction devices 11 located in the heating chamber 3 can be heated in the heating chamber 3 so that a solid medium block 19 forming part of the respective reaction device 11 can be activated by reduction.
  • the heating chamber 3 can be heated by means of solar radiation.
  • the heating chamber 3 has a plurality of radiation openings 21 through which solar radiation can reach the interior of the heating chamber 3 .
  • Secondary concentrators 23 are arranged at the radiation openings 21 and improve the entry of radiation into the heating chamber 3 .
  • the heating chamber 3 acts as a cavity so that solar radiation irradiated into the heating chamber 3 is absorbed therein.
  • the solid medium blocks 19 of the reaction devices 11 are heated and reduced by the heat present in the heating chamber 3 and in particular by thermal radiation from the walls of the heating chamber 3 .
  • a negative pressure can be generated in the heating chamber 3 by means of vacuum pumps (not shown), so that the oxygen partial pressure in the heating chamber 3 is lowered and a reduction in the solid medium blocks 19 can take place in an advantageous manner.
  • the reaction devices 11 can be transported to the second position where they are placed in the reactors 9 to carry out a reaction such as oxidation.
  • the transport devices 17, which are designed, for example, as vertical transport devices, are lowered, so that the reaction devices 11 are moved into the respective reactors 9.
  • the reactors 9 have a first separating device 25 which can close the first opening 15 .
  • the separating device 25 has a sliding plate 27 which closes the first opening 15 in a gas-tight manner.
  • the reaction device 11 has a base device 29 with a sealing plate 31 .
  • the solid medium block 19 is arranged on the base device 29 .
  • the transport device 17 acts on the underside of the base device 29 .
  • the reactor 9 On the side of the reactor 9 facing away from the first opening 15, the reactor 9 has a second opening 33 through which the transport device 17 is guided.
  • the second opening 33 can be closed gas-tight by means of the sealing plate 31 .
  • the sealing plate 31 is in sealing contact with a wall section of the reactor 9 surrounding the second opening 33 .
  • the sealing takes place by means of a sealing device (45), which consists of a vacuum seal 35 and another Gasket 37 surrounding vacuum seal 35 is made.
  • the further seal 37 is used for thermal protection of the vacuum seal 35.
  • the sealing plate 31 together with the vacuum seal 35 and the further seal 37 forms a second separating device 39 of the reactor 9, which is shown schematically in detail in FIG. 2b.
  • the sealing by means of the sealing plate 31 has the particular advantage that when an overpressure is generated in the reactor chamber 13, a pressure can be generated on the sealing plate 31 and thus a downward force, so that the sealing plate 31 is additionally attached to the vacuum seal 35 and the further seal 37 can be pressed. This creates a particularly advantageous sealing effect.
  • reaction in the reactor 9 the first separation device 25 and the second separation device 39 are closed.
  • a reaction gas can be introduced into the reactor chamber 13 via a line device, not shown, and the reaction gas can be oxidized, for example.
  • the first separating device 25 is shown schematically in part.
  • the sliding plate 27 is guided in a guide 41 and is moved by means of a drive 43 .
  • a further sealing device 46 is arranged on the sliding plate 27 , which can consist of a vacuum seal 35 and a further seal 37 , comparable to the seal of the second separating device 39 .
  • the slide plate 27 is slid to close.
  • Arranged in the guide 41 are wedges 47 which press the sliding plate 27 in the direction of a sealing surface 49 shortly before it reaches its closed position, so that the further sealing device 46 is pressed against the sealing surface 49 .
  • the first separating device 25 also achieves that a Overpressure increases the sealing effect by an additional force on the sliding plate 27.
  • the reactor 9 can advantageously be separated from the heating chamber 3 by means of the first separation device 25 .
  • FIGS. 3a and 3b A second exemplary embodiment of a reactor 9 of a reactor system 1 is shown schematically in FIGS. 3a and 3b.
  • Figs. 3a and 3b shown reactor 9 differs from Figs. 2a to 2c reactor 9 shown essentially in the configuration of the reaction device 11 and the second separation device 39.
  • the sealing plate 31 is designed as a sliding plate, which is designed essentially the same as the sliding plate 27 of the first separating device 25 . Provision can be made for the sliding plate of the second separating device 39 to be arranged essentially mirror-inverted to the sliding plate 27 of the first separating device 25, so that the seals are arranged on the side facing away from the reactor chamber 13 on the sliding plate of the second separating device 39.
  • a holder 51 is arranged in the reactor chamber 13, on which the reaction device 11 is placed and held in its second position.
  • the base device 29 is adapted to the holder 51 so that the reaction device 11 is securely placed on the holder 51 .
  • the second opening 33 can be opened by means of the second separating device 39, so that the transport device 17 can penetrate into the reactor chamber 13 in order to detach the reaction device 11 from the holder 51 and through the first opening 15, the released from the first separating device 25 so that the solid medium block 19 enters the heating chamber 3 .
  • the Rea ktorsy system 1 according to the invention can be part of a solar system and arranged on a solar tower. The solar radiation can be reflected and directed onto the radiation openings 21 by means of heliostats.
  • the radiation openings 21 can be closed by panes that are transparent to the solar radiation.
  • the solid medium blocks 19 preferably consist of so-called redox material, so that a redox reaction can be carried out in an advantageous manner using the reactor system according to the invention.
  • the reaction device 11 can have an elongate shape with a solid medium block 19 designed as a circular cylinder. Such a shape has the particular advantage that relatively uniform heating can take place.
  • the transport device 17 can have a guide device arranged in the reactor 9 . This can be shielded from the reaction chamber 13 by means of insulation, which is also used as a radiation shield.
  • the insulation can form a gap or several gaps through which a gripper of the transport device 17 is guided, which grips the reaction device 11, for example the base device 29, in order to transport the reaction device 11.
  • the guide device can be formed, for example, by two rails located opposite one another, which are each arranged on a side wall of the reactor 9 and are each shielded from the reaction chamber 13 by insulation.

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Abstract

Reaktorsystem (1), mit einer Erwärmungskammer (3), mit mindestens einem Reaktor (9) mit einer Reaktorkammer (13), die eine erste Öffnung (15) aufweist, und mit einer ersten Abtrennvorrichtung (25), über die die erste Öffnung (15) öffenbar und gasdicht verschließbar ist, wobei eine Leitungsvorrichtung zum Zu-und/oder Abführen von Fluid mit der Reaktorkammer (13) verbunden ist, wobei der mindestens ein Reaktor (9) mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) mit mindestens einen Feststoffmediumblock (19) aufweist, und mit mindestens einer Transportvorrichtung (17), über die die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) aus der Reaktorkammer (13) durch die erste Öffnung (15) in eine erste Position, in der die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zumindest teilweise in der Erwärmungskammer (3) angeordnet ist, und aus der Erwärmungskammer (3) in eine zweite Position, in der die die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zumindest teilweise in der Reaktorkammer (13) des mindestens einen Reaktors (9) angeordnet ist, transportierbar ist, wobei die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) in der Erwärmungskammer (3) zur Aktivierung des mindestens einen Feststoffmediumblocks (19) erwärmbar ist, wobei die Reaktorkammer (13) ein zweite Öffnung (33) aufweist, die auf der der ersten Öffnung (15) gegenüberliegenden Seite an dem Reaktor (9) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Transportvorrichtung (17) durch die zweite Öffnung (33) führbar oder geführt ist, um die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zu transportieren, und eine zweite Abtrennvorrichtung (39), über die zweite Öffnung (33) öffenbar und gasdicht verschließbar ist, wobei die zweite Abtrennvorrichtung (39) eine Dichtplatte (31) aufweist, und wobei zwischen der Dichtplatte (31) und einem die zweite Öffnung (33) umgebenden Wandabschnitt eine Dichtungseinrichtung (45) auf der von der Reaktorkammer (13) abgewandten Seite der Dichtplatte (31) angeordnet ist.

Description

Thermochemisches Reaktorsystem sowie Solaranlaae mit thermochemischem Reaktorsystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermochemisches Reaktorsystem sowie Solaranlage mit thermochemischen Reaktorsystem.
Es ist bekannt, für die Erzeugung von Wasserstoff oder Synthesegas ein Redoxmaterial einzusetzen, wobei das Redoxmaterial in Redoxkreisprozessen zur Wasser- und COz-Spaltung verwendet wird. Das Redoxmaterial wird zur chemischen Reduktion erhitzt. In ersten Ansätzen erfolgt die Erhitzung mittels Solarenergie, wobei das Redoxmaterial konzentrierte Solarstrahlung absorbiert.
Erste Konzepte sehen vor, dass zur solaren Erzeugung von Wasserstoff mittels derartiger thermochemischer Kreisprozesse ein partikelförmiges Feststoff medium eingesetzt wird. In diesem Prozess wird das Feststoff medium mit Hilfe von Sonnenenergie bei hohen Temperaturen über eine chemische Reaktion thermisch reduziert und somit für die nachfolgende Reaktion aktiviert. Diesem wird zu einem späteren Zeitpunkt Wasserdampf zugeführt. Das Medium wird durch den Sauerstoff im Wasser oxidiert, so dass Wasserstoff entsteht. Um den Kreisprozess fortführen zu können, muss das oxidierte Medium erneut bei hohen Temperaturen reduziert werden. Bei den bekannten Kreisprozessen fallen die Partikel frei durch den Fokus der konzentrierten Solarstrahlung oder werden durch diesen bewegt. Anschließend werden die Partikel in einen Reaktor zur Durchführung der Oxidation bewegt. Derartige Verfahren haben zwar den Vorteil eines kontinuierlichen Prozesses, jedoch bestehen Probleme hinsichtlich Abriebs der Partikel, Staubbildung durch den Partikelabrieb und beim Partikeltransport.
Es gibt auch sogenannte Feststoffreceiver, in denen das Medium fest in dem Receiver verbaut ist und in einem Batch-Prozess abwechselnd reduziert und oxidiert wird. Bei derartigen Receivern entstehen Nachteile, da der Prozess nicht kontinuierlich erfolgt.
Bei den bekannten Receivern besteht grundsätzlich ferner das Problem einer fehlenden oder unzureichenden Rekuperation der Wärme zwischen dem Reduktionsund dem Oxidationsschritt.
Aus DE 10 2018 201 319 Al ist ein System bekannt, bei dem Blöcke aus Redoxmaterial mittels einer Fördervorrichtung durch den Receiver transportiert werden. Der Transport der Blöcke durch den Receiver ist aufgrund der hohen Temperaturen problematisch.
Grundsätzlich besteht das Problem, ein Reaktorsystem mit einem die Solarstrahlung absorbierenden Feststoff medium als Reaktionsmedium oder Wärmeträgermedium zuverlässig zu betreiben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Reaktorsystem mit einem Solarstrahlungsreceiver zu schaffen, das in vorteilhafterweise mit einem die Solarstrahlung absorbierenden Feststoffmedium als Reaktionsmedium oder Wärmeträgermedium vorzugsweise kontinuierlich betreibbar und in vorteilhafterweise für solarbetriebene Redoxkreisprozessen einsetzbar ist. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Solaranlage mit einem derartigen Reaktorsystem zu schaffen
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Solaranlage ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 22.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem weist eine Erwärmungskammer und mindestens einen Reaktor mit einer Reaktorkammer auf, die eine erste Öffnung aufweist, und mit einer ersten Abtrennvorrichtung, über die die erste Öffnung öffenbar und gasdicht verschließbar ist. Eine Leitungsvorrichtung zum Zu- und/oder Abführen von Fluid ist mit der Reaktorkammer verbunden. Der mindestens ein Reaktor weist mindestens eine Reaktionsvorrichtung mit mindestens einen Feststoffmediumblock auf. Das erfindungsgemäße Reaktorsystem weist ferner mindestens eine Transportvorrichtung auf, über die die mindestens eine Reakti- onsvorrichtung aus der Reaktorkammer durch die erste Öffnung in eine erste Position, in der die mindestens eine Reaktionsvorrichtung zumindest teilweise in der Erwärmungskammer angeordnet ist, und aus der Erwärmungskammer in eine zweite Position, in der die die mindestens eine Reaktionsvorrichtung zumindest teilweise in der Reaktorkammer des mindestens einen Reaktors angeordnet ist, transportierbar ist. Die mindestens eine Reaktionsvorrichtung ist in ihrer ersten Position in der Erwärmungskammer zur Aktivierung des mindestens einen Feststoffmediumblocks erwärmbar. Die Reaktorkammer weist ferner ein zweite Öffnung auf, die auf der der ersten Öffnung gegenüberliegenden Seite an dem Reaktor angeordnet ist, wobei die mindestens eine Transportvorrichtung durch die zweite Öffnung führbar oder geführt ist, um die mindestens eine Reaktionsvorrichtung zu transportieren, wobei über eine zweite Abtrennvorrichtung die zweite Öffnung öffenbar und gasdicht verschließbar ist. Die zweite Abtrennvorrichtung weist eine Dichtplatte auf und zwischen der Dichtplatte und einem die zweite Öffnung umgebenden Wandabschnitt ist eine Dichtungseinrichtung auf der von der Reaktorkammer abgewandten Seite der Dichtplatte angeordnet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Reaktor an der Erwärmungskammer angeordnet ist, wobei die Reaktorkammer über die erste Öffnung mit der Erwärmungskammer verbunden ist und gegenüber der Erwärmungskammer mit der ersten Abtrennvorrichtung abtrennbar ist. Der mindestens eine Reaktor kann somit direkt an der Erwärmungskammer angeordnet oder beispielsweise über ein Verbindungsstück mit dieser verbunden sein.
Die Erwärmung der mindestens einen Reaktionsvorrichtung in der Erwärmungskammer kann beispielsweise über ein Lichtbogen-Plasma oder ein in die Erwärmungskammer eingeleitetes Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Gas, erfolgen, wobei das Wärmeträgermedium außerhalb des Reaktorsystems auf herkömmliche Art und Weise, beispielsweise über einen Verbrennungs- oder Solarprozess, erhitzt werden kann.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Erwärmungskammer mindestens eine Strahlungsöffnung aufweist, wobei durch die Strahlungsöffnung konzentrierte Solarstrahlung in die Erwärmungskammer einleitbar ist. Dabei kann die Reaktionsvorrichtung als Solarabsorbervorrichtung ausgebildet sein, so dass zur Erwärmung des Feststoffmediumblocks die konzentrierte Solarstrahlung auf den Feststoffmediumblock gestrahlt und von diesem absorbiert wird. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Reaktionsvorrichtung zumindest teilweise indirekt über Solarstrahlung erwärmt wird, in dem die Erwärmungskammer durch konzentrierte Solarstrahlung erwärmt wird und die Reaktionsvorrichtung durch Wärmestrahlung in der Erwärmungskammer und in der Erwärmungskammer reflektierte Solarstrahlung erwärmt wird.
Das erfindungsgemäße Reaktorsystem ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass die Reaktionsvorrichtung aus der Reaktorkammer in die Erwärmungskammer und wieder zurück in die Reaktorkammer transportierbar ist. Die erste und zweite Abtrennvorrichtung ermöglicht, dass in der Reaktorkammer beispielsweise zur Durchführung einer Reaktion eine gegenüber der Umgebung und beispielsweise gegenüber der Erwärmungskammer unterschiedliche Atmosphäre geschaffen werden kann, indem die Reaktorkammer gegenüber mittels der ersten und zweiten Abtrennvorrichtung gasdicht verschlossen wird. In der Erwärmungskammer kann der Feststoffmediumblock durch Erwärmen aktiviert werden, so dass dieser für die anschließende Reaktion in der Reaktorkammer vorbereitet ist.
Dadurch, dass zwischen der Dichtplatte und dem die zweite Öffnung umgebenden Wandabschnitt die Dichtungseinrichtung auf der von der Reaktorkammer abgewandten Seite der Dichtplatte angeordnet ist, wird eine Axialdichtung gebildet. Diese hat den Vorteil, dass bei Erzeugung eines Überdrucks in der Reaktorkammer die Dichtplatte im geschlossenen Zustand in Richtung von der Reaktorkammer weg gedrückt wird, wodurch der Anpressdruck der Dichtungseinrichtung erhöht und somit eine Erhöhung der Dichtwirkung erreicht wird.
Die Dichtungseinrichtung kann an der Dichtplatte und/oder dem die zweite Öffnung umgebenden Wandabschnitt angeordnet sein.
Die Erwärmungskammer kann beispielsweise als Solarstrahlungsreceiver an einem Solarturm angeordnet sein, wobei die konzentrierte Solarstrahlung mittels einem oder mehrerer Heliostaten auf den Solarstrahlungsreceiver gelenkt wird, oder als Receiver auf einem Solardishsystem. Der Feststoffmediumblock kann eine Würfelform, eine Quaderform, eine Kreiszylinder- oder Zylinderform, eine Kegelform oder eine komplexere Form aufweisen. Beispielsweise kann die Reaktionsvorrichtung auch mehrere Feststoff medium blocke aufweisen, die eine der genannten Formen aufweisen. Die Reaktionsvorrichtung kann auch mehrere Feststoffmediumblöcke, die beispielsweise zu einer Stabform zusammengesetzt werden, aufweisen.
Ein kreiszylindrisch ausgebildeter Feststoffmediumblock hat den besonderen Vorteil, dass bei einer Bestrahlung von mehreren Seiten, beispielsweise mittels Wärmestrahlung, eine relativ gleichmäßige Erwärmung erfolgen kann.
Der Feststoffmediumblock kann beispielsweise aus einem Redoxmaterial bestehen, wie beispielsweise CeC , dotiertem CeC , CuzO/CuO, MnsCU/MnzCh, COO/CO3O4, Ferriten (AxFes-xCU) oder Perovskiten. Bei dem Feststoffmediumblock aus einem Redoxmaterial erfolgt die Aktivierung in der Erwärmungskammer als Reduktion.
Das Material des Feststoffmediumblocks ist vorzugsweise porös. Dadurch können Teile konzentrierter Solarstrahlung oder von Wärmestrahlung, die auf die Reaktionsvorrichtung in der Erwärmungskammer gestrahlt werden, ins Innere des Feststoffmediumblocks vordringen, so dass eine verbesserte Absorption der Strahlung bzw. Solarstrahlung und somit Erwärmung des Feststoffmediumblocks erreicht werden kann. Bei Erwärmung mit einem Wärmeträgermedium wird durch die Porosität eine größere Oberfläche gebildet, die den Wärmeübertrag verbessert.
Die vergrößerte Oberfläche des Feststoffmediumblocks bietet ferner bei einem Einsatz als Reaktionsmedium eine vergrößerte Reaktionsoberfläche, wodurch die Reaktionen verbessert stattfinden können.
Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung weist bevorzugt einen Feststoffmediumblock aus einem Redoxmaterial auf, so dass die Reaktionsvorrichtung in einem Redoxkreisprozess eingesetzt werden kann. Das Redoxmaterial kann in der Erwärmungskammer in einer entsprechenden Atmosphäre, beispielsweise auch bei abgesenktem Gesamtdruck, mittels der konzentrierten Solarstrahlung erwärmt werden, wodurch eine Reduzierung des Redoxmaterials erfolgt. Anschließend wird die Reaktionsvorrichtung in die Reaktorkammer transportiert, die mittels der Abtrennvorrichtung von der Erwärmungskammer abgetrennt werden kann. In der Reaktorkammer wird über die Leitungsvorrichtung beispielsweise Wasserdampf dem reduzierten Redoxmaterial zugeführt, wobei eine Spaltung des Wasserdampfes erfolgt, wodurch Wasserstoff entsteht.
Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung kann jedoch auch einen Feststoffmediumblock aus einem anderen Material (z.B. ein Katalysatormaterial) aufweisen, welches für andere Reaktionen als Redoxreaktionen verwendet wird. Beispielsweise kann der Feststoffmediumblock auch aus einem Material, an dessen Oberfläche sich Moleküle binden (Adsorption), beispielsweise einem Alkalioxide oder ein Erdalkalioxid, beispielsweise CaO, bestehen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mindestens eine Strahlungsöffnung mit einer für die Solarstrahlung transparenten Scheibe verschlossen ist.
Unter einer für die Solarstrahlung transparenten Scheibe wird eine Scheibe verstanden, die für die Solarstrahlung einen hemisphärischen, solaren (AMI, 5) Transmissionsgrad von mindestens 85% aufweist. Durch das Vorsehen einer transparenten Scheibe einer Strahlungsöffnung kann die Erwärmungskammer geschlossen sein, so dass eine gewünschte Atmosphäre in der Erwärmungskammer erzeugbar ist.
Beispielsweise kann an der Erwärmungskammer eine Gasabsaugung, beispielsweise mindestens eine Vakuumpumpe, vorgesehen sein, so dass ein Unterdrück in der Erwärmungskammer erzeugbar ist. Es kann auch ein Spülgas zur Entfernung von Sauerstoff eingesetzt werden. Für das Spülgas können entsprechende Leitungen an die Erwärmungskammer angeschlossen sein. Um beispielsweise das Feststoffmedium in Form eines Redoxmaterials in der Erwärmungskammer mittels der konzentrierten Solarstrahlung zu reduzieren, kann der freiwerdende Sauerstoff in vorteilhafterweise mittels der Gasabsaugung aus der Erwärmungskammer zumindest teilweise abgesaugt werden. In der Erwärmungskammer herrscht somit ein niedriger Sauerstoffpartialdruck, so dass die Reduktionsreaktion begünstigt und eine erneute Oxidation des Feststoffmediums verhindert wird. Zur Entfernung von Sauerstoff aus der Erwärmungskammer kann auch vorgesehen sein, dass ein Sauerstoff aufnehmendes Material in der Erwärmungskammer oder einer daran angeschlossenen Kammer angeordnet ist. Das Sauerstoff aufnehmende Material kann beispielsweise auch in Kombination mit einem Spülgas verwendet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Reaktor unterhalb der Erwärmungskammer angeordnet ist und dass die Transportvorrichtung als Vertikaltransportvorrichtung ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung ermöglich auf besonders einfache Art und Weise den Transport der Reaktionsvorrichtungen von der Erwärmungskammer in die Reaktorkammer und zurück, da lediglich derTrans- port in eine Richtung, nämlich die vertikale Richtung, erfolgen muss. Da die Reaktionsvorrichtungen nach der Bestrahlung mit der konzentrierten Solarstrahlung sehr hohe Temperaturen aufweisen, ist eine Handhabung der Reaktionsvorrichtungen aufgrund der thermischen Belastungen der Umgebung konstruktiv relativ aufwendig. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Erwärmungskammer und Reaktorkammer ist ein Transport in lediglich eine Richtung notwendig, sodass die Transportvorrichtung entsprechend einfach ausgestaltet sein kann. Dadurch wird der konstruktive Aufwand auch bei hohen thermischen Belastungen vergleichsweise geringgehalten. Durch die Anordnung des mindestens einen Reaktors direkt an der Erwärmungskammer sind darüber hinaus die Transportwege sehr kurz ausgestaltet.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Erwärmungskammer Solarstrahlung absorbierende Wände aufweist, wobei durch die mindestens eine Strahlungsöffnung in die Erwärmungskammer eingestrahlte Solarstrahlung zum Erwärmen der Wände absorbierbar ist. Mit anderen Worten: Die Erwärmungskammer bildet eine Kavität, in der eingestrahlte Solarstrahlung absorbiert wird. Somit wird die gesamte Erwärmungskammer erwärmt und eine in die Erwärmungskammer eingesetzte Reaktionsvorrichtung kann von der von den Wänden abgestrahlten Wärmestrahlung erwärmt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Wände der Erwärmungskammer die Solarstrahlung teilweise reflektieren und die Solarstrahlung erst nach mehrfacher Reflexion an den Wänden vollständig absorbiert ist. Die reflektierte Solarstrahlung kann beispielsweise auch auf eine der Reaktionsvorrichtungen treffen und von dieser absorbiert werden, was ebenfalls zur Erwärmung der Reaktionsvorrichtung beiträgt. An die Erwärmungskammer kann eine Aufnahmekammer angrenzen, die über eine Trennwand von der Erwärmungskammer abgetrennt ist. Dabei kann die mindestens eine Transportvorrichtung und der mindestens eine Reaktor in der Aufnahmekammer angeordnet sein. Die ersten Öffnungen sind beispielsweise in der Trennwand angeordnet. Mit anderen Worten: Das erfindungsgemäße Reaktorsystem kann beispielsweise einen zweigeteilten Behälter aufweisen, der die Erwärmungskammer und die Aufnahmekammer bildet. Mittels der Trennwand sind die Erwärmungskammer und die Aufnahmekammer voneinander abgetrennt. In der Trennwand ist die mindestens eine erste Öffnung angeordnet. Auf der der Aufnahmekammer zugewandten Seite der Trennwand ist der mindestens eine Reaktor angeordnet und an der Trennwand befestigt. Die Aufnahmekammer bildet einen vorteilhaften Raum für die Anordnung des mindestens einen Reaktors und der mindestens einen Transportvorrichtung. Selbstverständlich können auch weitere Teile des erfindungsgemäßen Reaktorsystems, wie beispielsweise Leitungen, in der Aufnahmekammer angeordnet sein. Die Trennwand trennt die Erwärmungskammer und die Aufnahmekammer. Darüber hinaus kann auch eine thermische Trennung zu der Erwärmungskammer vorgesehen sein, sodass ein zu starkes Erhitzen der Aufnahmekammer verhindert wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Reaktorsystem mehrere Reaktoren mit mindestens einer Reaktorkammer aufweist, wobei jede Reaktorkammer über jeweils eine erste Öffnung aufweist, über die die Reaktorkammer beispielsweise mit der Erwärmungskammer verbunden ist, wobei die ersten Öffnungen jeweils über eine erste Abtrennvorrichtung öffenbar und gasdicht verschließbar sind und wobei jeder Reaktor jeweils eine Reaktionsvorrichtung aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel mit einer Erwärmungskammer und eine Aufnahmekammer können alle Reaktoren in der Aufnahmekammer angeordnet und die ersten Öffnungen in der Trennwand gebildet sein.
Durch das Vorsehen von mehreren Reaktoren können mehrere Reaktionsvorrichtung zum Einsatz kommen. Dadurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Reaktorsystem beispielsweise kontinuierlich zu betreiben, indem nur ein Teil der Reaktionsvorrichtungen in der Erwärmungskammer angeordnet ist und der andere Teil zum Durchführen beispielsweise einer Oxidationsreaktion in den entsprechenden Reaktorkammern.
Dabei kann vorgesehen sein, dass an jedem Reaktor eine Transportvorrichtung angeordnet ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass sich mehrere Reaktoren eine Transportvorrichtung teilen.
Die erste Abtrennvorrichtung kann eine Schiebeplatte aufweisen, die die erste Öffnung gasdicht verschließt. Bei dem Vorsehen von mehreren Reaktoren kann jede erste Abtrennvorrichtung eine entsprechende Schiebeplatte aufweisen. Über eine Schiebeplatte ist das Verschließen der ersten Öffnung auf konstruktiv einfache Art und Weise verwirklichbar. Darüber hinaus lässt sich mittels einer Schiebeplatte eine gasdichte Abdichtung der verschlossenen ersten Öffnung in vorteilhafter Weise erreichen. Beispielsweise kann die Schiebeplatte kurz vor Erreichen ihrer Schließposition mittels einer Schräge, beispielsweise mittels eines Keils, zum Erreichen einer Dichtwirkung angehoben und gegen eine Führungsplatte gepresst werden. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Dichtung auf der der Erwärmungskammer zugewandten Seite der Schiebeplatte erfolgt, beispielsweise durch eine auf dieser Seite der Schiebeplatte angeordnete Dichtung. Dies hat den Vorteil, dass durch die Erzeugung eines in der Reaktorkammer herrschenden Überdrucks die Schiebeplatte im geschlossenen Zustand in Richtung der Erwärmungskammer gedrückt wird, wodurch der Anpressdruck der Dichtung erhöht wird.
Bei der zweiten Abtrennvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Dichtplatte als Schiebeplatte ausgebildet ist, die die zweite Öffnung gasdicht verschließt. Die erst und zweite Abtrennvorrichtung können somit im Wesentlichen gleich ausgebildet sein.
Alternativ zu einer Schiebeplatte der zweiten Abtrennvorrichtung kann auch vorgesehen sein, dass die Reaktionsvorrichtung eine Sockeleinrichtung aufweist, an der die Dichtplatte angeordnet ist. Bei dem Vorsehen von mehreren Reaktoren kann jede Reaktionsvorrichtung eine entsprechende Sockeleinrichtung aufweisen. Die zweite Abtrennvorrichtung kann somit auch in einer Form ausgestaltet sein, bei der die Sockeleinrichtung der Reaktionsvorrichtung zumindest einen Teil der zweiten Abtrennvorrichtung bildet. Die Sockeleinrichtung kann dabei den mindestens einen Feststoffmediumblock tragen. Ferner kann die Transportvorrichtung für den Transport der Reaktionsvorrichtung an der Sockeleinrichtung angreifen. Der mindestens eine Feststoffmediumblock kann auf der Sockeleinrichtung befestigt sein. Dies kann über eine Verbindungsvorrichtung, beispielsweise durch Verschrauben oder mittels einer Stange, erfolgen. Auch kann die Sockeleinrichtung aus dem gleichen Material wie der mindestens eine Feststoffmediumblock bestehen und stoffschlüssig mit dem mindestens einen Feststoffmediumblock verbunden sein.
In der zweiten Position, in der die Reaktionsvorrichtung in der Reaktorkammer angeordnet ist, liegt die Dichtplatte bei diesem Ausführungsbeispiel an dem die zweite Öffnung umgebenden Bereich an, um die Abdichtung zu bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht ebenfalls der Vorteil, dass ein in der Reaktorkammer erzeugter Überdruck die Dichtplatte und somit die gesamte Reaktionsvorrichtung gegen diesen Bereich drückt.
Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Reaktionsvorrichtung eine Sockeleinrichtung mit einer Dichtplatte aufweist, kann die Transportvorrichtung fest mit der Sockeleinrichtung verbunden sein. Über die Transportvorrichtung kann ein Anpressdruck der Dichtplatte erzeugt werden, der zum Erreichen einer Dichtwirkung notwendig ist.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Transporteinrichtung lösbar von der Sockeleinrichtung ausgestaltet ist.
Die erste Abtrennvorrichtung kann eine Vakuumdichtung aufweisen und/oder die Dichtungseinrichtung der zweiten Abtrenn-vorrichtung kann eine Vakuumdichtung aufweisen. Mittels einer Vakuumdichtung ist eine Dichtwirkung in besonders vorteilhafter Weise erreichbar. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Abtrennvorrichtung jeweils eine weitere Dichtung aufweisen, die konvektiven Wärmetransport zu der Vakuumdichtung reduziert. Dadurch kann die Vakuumdichtung gegenüber einer übermäßigen Erwärmung geschützt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Halterung für die mindestens eine Reaktionsvorrichtung in der Reaktorkammer angeordnet ist. Somit kann die Transportvorrichtung die Reaktionsvorrichtung auf der Halterung absetzen, sodass die Reaktionsvorrichtung in der Reaktorkammer in einer definierten Position angeordnet ist. Für den Transport von der Reaktorkammer in die Erwärmungskammer kann die Transportvorrichtung die Reaktionsvorrichtung von der Halterung abnehmen.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass die Transportvorrichtung außerhalb der Reaktorkammer angeordnet ist, wobei die Transportvorrichtung bei geöffneter zweiter Abtrennvorrichtung zum Transport der Reaktionsvorrichtung in die Erwärmungskammer an der Reaktionsvorrichtung angreift, diese von der Halterung löst und in die Erwärmungskammer bewegt. Ein Rücktransport in die Reaktorkammer erfolgt entsprechend umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktorsystems weist die Erwärmungskammer mehrere Strahlungsöffnungen auf, die an unterschiedlichen Seiten der Erwärmungskammer angeordnet sind. Auf diese Weise kann von unterschiedlichen Seiten konzentrierte Solarstrahlung in die Erwärmungskammer eingebracht werden. Die mehreren Strahlungsöffnungen können jeweils mit einer für die Solarstrahlung transparenten Scheibe verschlossen sein.
Die mindestens eine Strahlungsöffnung kann einen Sekundärkonzentrator aufweisen. Mittels des Sekundärkonzentrators kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein sehr großer Anteil der auf die Strahlungsöffnung gestrahlten Solarstrahlung in die Erwärmungskammer gelangt.
Die Erwärmungskammer kann eine kreiszylindrische Form mit einer gewölbten Decke aufweisen. Auch die Unterseite der Erwärmungskammer kann eine gewölbte Form aufweisen. Eine derartige Form der Erwärmungskammer hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere wenn in der Erwärmungskammer mittels einer Vakuumpumpe zum Ausleiten von Sauerstoff ein Unterdrück erzeugt wird, kann durch die kreiszylindrische Form mit einer gewölbten Decke und ggfs. einer gewölbten Unterseite eine besonders hohe Stabilität der Erwärmungskammer erreicht werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aufnahmekammer eine an die Erwärmungskammer angepasste kreiszylindrische Form aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Solaranlage mit mehreren Solarstrahlung konzentrierenden Reflektoren und einem erfindungsgemäßen Reaktorsystem.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die konzentrierenden Reflektoren als Heliosta- ten ausgebildet sind. Wenn die Erwärmungskammer mehrere Strahlungsöffnungen aufweist können die Heliostaten in Teilfeldern angeordnet sein, deren Position an die einzelnen Positionen der Strahlungsöffnungen angepasst sein. Dadurch kann in vorteilhafter Weise von mehreren Seiten Solarstrahlung auf das Reaktorsystem konzentriert werden, und auf diese Weise besonders effektiv Solarstrahlung in die Erwärmungskammer geleitet werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen
Reaktorsystems,
Fig. 2a eine schematische Schnittdarstellung eines Reaktors des erfindungsgemäßen Reaktorsystems der Figur 1,
Fig. 2b eine schematische Detaildarstellung des Reaktors,
Fig. 2c eine schematische Detaildarstellung der ersten Abtrennvorrichtung des Reaktors, und
Fig. 3a und 3b schematische Schnittdarstellungen einer zweiten Variante eines Reaktors eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems.
In Fig. 1 ist eine schematische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Reaktorsystems 1 dargestellt.
Das Reaktorsystem 1 weist einen Behälter 2 auf, in dem eine Erwärmungskammer 3 gebildet ist. Unterhalb der Erwärmungskammer 3 ist eine Aufnahmekammer 5 angeordnet, die über eine Trennwand 7 von der Erwärmungskammer 3 abgetrennt ist.
Der Behälter 2 ist kreiszylindrisch ausgebildet und weist eine gewölbte Decke auf, die die Erwärmungskammer 3 begrenzt.
Unterhalb der Erwärmungskammer 3 sind in dem Aufnahmeraum 5 eine Vielzahl von Reaktoren 9 angeordnet, die jeweils eine Reaktionsvorrichtung 11 aufweisen.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, in der ein Reaktor 9 schematisch im Schnitt dargestellt ist, weist jeder Reaktor 9 eine Reaktorkammer 13 auf. Die Reaktorkammern 13 sind jeweils über eine erste Öffnung 15, die in der Trennwand 7 gebildet ist, mit der Erwärmungskammer 3 verbunden.
Durch die erste Öffnung 15 können die Reaktionsvorrichtungen 11 aus einer ersten Position, in der diese zumindest teilweise in der Erwärmungskammer 3 angeordnet sind, in eine zweite Position, in der die Reaktionsvorrichtungen 11 jeweils zumindest teilweise in einem der Reaktoren 9 angeordnet sind, transportiert werden. Für den Transport der Reaktionsvorrichtungen 11 ist an jedem Reaktor 9 eine Transportvorrichtung 17 angeordnet, die ebenfalls in der Aufnahmekammer 5 angeordnet sind.
In der Fig. 1 sind einige der Reaktionsvorrichtungen 11 in ihrer ersten Position gezeigt. In Fig. 2 ist die Reaktionsvorrichtung 11 in ihrer zweiten Position gezeigt.
Die in der Erwärmungskammer 3 befindlichen Reaktionsvorrichtungen 11 können in der Erwärmungskammer 3 erwärmt werden, sodass ein Feststoffmediumblock 19, der Teil der jeweiligen Reaktionsvorrichtung 11 bildet, durch Reduktion aktiviert werden kann.
Die Erwärmungskammer 3 kann dazu mittels Solarstrahlung erwärmt werden. Dafür weist die Erwärmungskammer 3 mehrere Strahlungsöffnungen 21 auf, durch die Solarstrahlung in das Innere der Erwärmungskammer 3 gelangen kann. An den Strahlungsöffnungen 21 sind Sekundärkonzentratoren 23 angeordnet, die den Strahlungseintrag in die Erwärmungskammer 3 verbessern. Die Erwärmungskammer 3 wirkt als Kavität, sodass in die Erwärmungskammer 3 eingestrahlte Solarstrahlung in dieser absorbiert wird. Die Feststoffmediumblöcke 19 der Reaktionsvorrichtungen 11 werden durch die in der Erwärmungskammer 3 befindliche Wärme und insbesondere durch Wärmestrahlung der Wandungen der Erwärmungskammer 3 erwärmt und reduziert.
Mittels nicht dargestellter Vakuumpumpen kann ein Unterdrück in der Erwärmungskammer 3 erzeugt werden, sodass der Sauerstoffpartialdruck in der Erwärmungskammer 3 abgesenkt ist und eine Reduktion der Feststoffmediumblöcke 19 in vorteilhafter Weise erfolgen kann.
Nach der Reduktion können die Reaktionsvorrichtungen 11 in die zweite Position transportiert werden, in der diese in den Reaktoren 9 angeordnet sind, um eine Reaktion, wie beispielsweise eine Oxidation, durchzuführen. Für den Transport senken sich die Transportvorrichtungen 17, die beispielsweise als Vertikaltransportvorrichtung ausgebildet sind, sodass die Reaktionsvorrichtungen 11 in die jeweiligen Reaktoren 9 bewegt werden.
Wie aus Fig. 2a ersichtlich ist, weisen die Reaktoren 9 eine erste Abtrennvorrichtung 25 auf, die die erste Öffnung 15 verschließen kann. Die Abtrennvorrichtung 25 weist dazu eine Schiebeplatte 27 auf, die die erste Öffnung 15 gasdicht verschließt.
Die Reaktionsvorrichtung 11 weist eine Sockeleinrichtung 29 mit einer Dichtplatte 31 auf. Auf der Sockeleinrichtung 29 ist der Feststoffmediumblock 19 angeordnet. An der Unterseite der Sockeleinrichtung 29 greift die Transportvorrichtung 17 an. An der von der ersten Öffnung 15 abgewandten Seite des Reaktors 9 weist der Reaktor 9 eine zweite Öffnung 33 auf, durch die die Transportvorrichtung 17 geführt ist.
Mittels der Dichtplatte 31 kann die zweite Öffnung 33 gasdicht verschlossen werden. Dazu liegt die Dichtplatte 31 an einem die zweite Öffnung 33 umgebenden Wandabschnitt des Reaktors 9 dichtend an. Das Abdichten erfolgt mittels einer Dichtungseinrichtung (45), die aus einer Vakuumdichtung 35 und einer weiteren Dichtung 37, die die Vakuumdichtung 35 umgibt, besteht. Die weitere Dichtung 37 dient zum thermischen Schutz der Vakuumdichtung 35. Die Dichtplatte 31 bildet zusammen mit der Vakuumdichtung 35 und der weiteren Dichtung 37 eine zweite Abtrennvorrichtung 39 des Reaktors 9, die in Fig. 2b schematisch im Detail dargestellt ist.
Die Abdichtung mittels der Dichtplatte 31 hat den besonderen Vorteil, dass bei der Erzeugung eines Überdrucks in der Reaktorkammer 13 ein Druck auf die Dichtplatte 31 und somit eine Kraft nach unten erzeugt werden kann, sodass die Dichtplatte 31 zusätzlich an die Vakuumdichtung 35 und die weitere Dichtung 37 gedrückt werden kann. Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Dichtwirkung erzeugt.
Für die Durchführung der Reaktion in dem Reaktor 9 sind die erste Abtrennvorrichtung 25 und die zweite Abtrennvorrichtung 39 geschlossen. Über eine nicht dargestellte Leitungsvorrichtung kann ein Reaktionsgas in die Reaktorkammer 13 eingeleitet werden und es kann beispielsweise eine Oxidation des Reaktionsgases erfolgen.
In Fig. 2c ist die erste Abtrennvorrichtung 25 schematisch im Teil dargestellt.
Die Schiebeplatte 27 ist in einer Führung 41 geführt und wird mittels eines Antriebs 43 verschoben. An der von der Reaktorkammer 13 abgewandten Seite ist an der Schiebeplatte 27 eine weitere Dichtungseinrichtung 46 angeordnet, die vergleichbar mit der Dichtung der zweiten Abtrennvorrichtung 39 aus einer Vakuumdichtung 35 und einer weiteren Dichtung 37 bestehen kann.
Die Schiebeplatte 27 wird zum Verschließen verschoben. In der Führung 41 sind Keile 47 angeordnet, die die Schiebeplatte 27 kurz vor dem Erreichen ihrer Schließposition in Richtung einer Dichtfläche 49 drücken, sodass die weitere Dichteinrichtung 46 gegen die Dichtfläche 49 gedrückt wird.
Genauso wie bei der zweiten Abtrennvorrichtung 39 wird bei der ersten Abtrennvorrichtung 25 ebenfalls erreicht, dass ein in der Reaktionskammer 13 erzeugter Überdruck die Dichtwirkung durch eine zusätzliche Kraft auf die Schiebeplatte 27 erhöht.
Mittels der ersten Abtrennvorrichtung 25 lässt sich der Reaktor 9 in vorteilhafter Weise von der Erwärmungskammer 3 abtrennen.
In Fign. 3a und 3b ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Reaktors 9 eines Reaktorsystems 1 schematisch dargestellt.
Der in den Fign. 3a und 3b dargestellte Reaktor 9 unterscheidet sich von den Fign. 2a bis 2c dargestellten Reaktor 9 im Wesentlichen in der Ausgestaltung der Reaktionsvorrichtung 11 und der zweiten Abtrennvorrichtung 39.
Bei der zweiten Abtrennvorrichtung 39 von diesem Ausführungsbeispiel ist die Dichtplatte 31 als Schiebeplatte ausgebildet, die im Wesentlichen gleich zu der Schiebeplatte 27 der ersten Abtrennvorrichtung 25 ausgestaltet ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schiebeplatte der zweiten Abtrennvorrichtung 39 im Wesentlichen spiegelverkehrt zu der Schiebeplatte 27 der ersten Abtrennvorrichtung 25 angeordnet ist, sodass die Dichtungen auf der von der Reaktorkammer 13 abgewandten Seite an der Schiebeplatte der zweiten Abtrennvorrichtung 39 angeordnet sind.
In der Reaktorkammer 13 ist eine Halterung 51 angeordnet, auf die die Reaktionsvorrichtung 11 in ihrer zweiten Position aufgesetzt ist und gehaltert wird. Die Sockeleinrichtung 29 ist dazu an die Halterung 51 angepasst, sodass die Reaktionsvorrichtung 11 sicher auf der Halterung 51 aufgesetzt ist.
Wie aus Fig. 3b ersichtlich ist, kann mittels der zweiten Abtrennvorrichtung 39 die zweite Öffnung 33 geöffnet werden, sodass die Transportvorrichtung 17 in die Reaktorkammer 13 eindringen kann, um die Reaktionsvorrichtung 11 von der Halterung 51 zu lösen und durch die erste Öffnung 15, die von der ersten Abtrennvorrichtung 25 freigegeben ist, zu schieben, sodass der Feststoffmediumblock 19 in die Erwärmungskammer 3 gelangt. Das erfindungsgemäße Rea ktorsy stem 1 kann Teil einer Solaranlage und an einem Solarturm angeordnet sein. Mittels Heliostaten kann die Solarstrahlung reflektiert und auf die Strahlungsöffnungen 21 gelenkt werden.
Die Strahlungsöffnungen 21 können dabei durch für die Solarstrahlung transparente Scheiben verschlossen sein.
Vorzugsweise bestehen die Feststoffmediumblöcke 19 aus sogenanntem Redoxmaterial, sodass mittels des erfindungsgemäßen Reaktorsystems in vorteilhafter Weise eine Redoxreaktion durchgeführt werden kann.
Die Reaktionsvorrichtung 11 kann eine langgestreckte Form mit einem kreiszylindrisch ausgebildeten Feststoffmediumblock 19 aufweisen. Eine derartige Form hat den besonderen Vorteil, dass eine relativ gleichmäßige Erwärmung erfolgen kann.
Die Transportvorrichtung 17 kann eine in dem Reaktor 9 angeordnete Führungseinrichtung aufweisen. Diese kann mittels einer Isolation, die auch als Strahlungsschild genutzt wird, von der Reaktionskammer 13 abgeschirmt sein. Die Isolation kann einen Spalt oder mehrere Spalten bilden, durch den oder die ein Greifer der Transportvorrichtung 17 geführt ist, der an der Reaktionsvorrichtung 11, beispielsweise an der Sockeleinrichtung 29, angreift um, die Reaktionsvorrichtung 11 zu transportieren. Die Führungseinrichtung kann beispielsweise durch zwei gegenüberliegende Schienen gebildet sein, die jeweils an einer Seitenwand des Reaktors 9 angeordnet sind und jeweils durch eine Isolation von der Reaktionskammer 13 abgeschirmt sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann vorgesehen sein, dass immer nur ein Teil der Feststoffmediumblöcke 19 sich in ihrer ersten Position und somit in der Erwärmungskammer 3 befinden. Die anderen Feststoffmediumblöcke 19 sind in ihrer zweiten Position in den jeweiligen Reaktoren 9. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Reaktorsystem 1 kontinuierlich betrieben werden. Bezugszeichenliste
Rea ktorsy stem Behälter Erwärmungskammer Aufnahmekammer Trennwand
Reaktor
Reaktionsvorrichtung Reaktorkammer erste Öffnung
Transportvorrichtung Feststoffmediumblock Strahlungsöffnung
Sekundärkonzentrator erste Abtrennvorrichtung Schiebeplatte Sockeleinrichtung Dichtplatte zweite Öffnung Vakuumdichtung Dichtung zweite Abtrennvorrichtung Führung
Antrieb
Dichtungseinrichtung Keile
Dichtfläche Halterung

Claims

Patentansprüche ea ktorsy stem (1), mit einer Erwärmungskammer (3), mit mindestens einem Reaktor (9) mit einer Reaktorkammer (13), die eine erste Öffnung (15) aufweist, und mit einer ersten Abtrennvorrichtung (25), über die die erste Öffnung (15) öffenbar und gasdicht verschließbar ist, wobei eine Leitungsvorrichtung zum Zu- und/oder Abführen von Fluid mit der Reaktorkammer (13) verbunden ist, wobei der mindestens ein Reaktor (9) mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) mit mindestens einen Feststoffmediumblock (19) aufweist, und mit mindestens einer Transportvorrichtung (17), über die die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) aus der Reaktorkammer (13) durch die erste Öffnung (15) in eine erste Position, in der die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zumindest teilweise in der Erwärmungskammer (3) angeordnet ist, und aus der Erwärmungskammer (3) in eine zweite Position, in der die die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zumindest teilweise in der Reaktorkammer (13) des mindestens einen Reaktors (9) angeordnet ist, transportierbar ist, wobei die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) in der Erwärmungskammer (3) zur Aktivierung des mindestens einen Feststoff medium blocks (19) erwärmbar ist, wobei die Reaktorkammer (13) ein zweite Öffnung (33) aufweist, die auf der der ersten Öffnung (15) gegenüberliegenden Seite an dem Reaktor (9) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Transportvorrichtung (17) durch die zweite Öffnung (33) führbar oder geführt ist, um die mindestens eine Reaktionsvorrichtung (11) zu transportieren, und eine zweite Abtrennvorrichtung (39), über die zweite Öffnung (33) öffenbar und gasdicht verschließbar ist, und wobei die zweite Abtrennvorrichtung (39) eine Dichtplatte (31) aufweist, wobei zwischen der Dichtplatte (31) und einem die zweite Öffnung (33) umgebenden Wandabschnitt eine Dichtungseinrichtung (45) auf der von der Reaktorkammer (13) abgewandten Seite der Dichtplatte (31) angeordnet ist. Reaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reaktor (9) an der Erwärmungskammer (3) angeordnet ist, wobei die Reaktorkammer (13) über die erste Öffnung (15) mit der Erwärmungskammer (3) verbunden ist und gegenüber der Erwärmungskammer (3) mit der ersten Abtrennvorrichtung (25) abtrennbar ist. Reaktorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungskammer (3) mindestens eine Strahlungsöffnung (21) aufweist, wobei durch Strahlungsöffnung (21) konzentrierte Solarstrahlung in die Erwärmungskammer (3) einleitbar ist. Reaktorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsöffnung (21) mit einer für die Solarstrahlung transparenten Scheibe verschlossen ist. Reaktorsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungskammer (3) Solarstrahlung absorbierende Wände aufweist, wobei durch die mindestens eine Strahlungsöffnung (21) in die Erwärmungskammer (3) eingestrahlte Solarstrahlung zum Erwärmen der Wände absorbierbar ist. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Reaktor (9) unterhalb der Erwärmungskammer (3) angeordnet ist, und dass die Transportvorrichtung (17) als Vertikaltransportvorrichtung ausgebildet ist. Rea ktorsy stem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Erwärmungskammer (3) eine Aufnahmekammer (5) angrenzt, die über eine Trennwand (7) von der Erwärmungskammer (3) abgetrennt ist, wobei die mindestens eine Transportvorrichtung (17) und der mindestens einen Reaktor (9) in der Aufnahmekammer (5) angeordnet sind, wobei die mindestens eine erste Öffnung (15) in der Trennwand (7) angeordnet sind. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrerer Reaktoren (9) mit jeweils einer Reaktorkammer (13), wobei jede Reaktorkammer (13) über jeweils eine erste Öffnung (15) aufweist, wobei die ersten Öffnungen (15) jeweils über eine erste Abtrennvorrichtung (25) öffenbar und gasdicht verschließbar sind und wobei jeder Reaktor (9) jeweils eine Reaktionsvorrichtung (11) aufweist. Reaktorsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Reaktor (9) jeweils eine Transportvorrichtung (17) angeordnet ist. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abtrennvorrichtung (25) eine Schiebeplatte (27) aufweist, die die erste Öffnung (15) gasdicht verschließt, oder die ersten Abtrennvorrichtungen (25) jeweils eine Schiebeplatte (27) aufweisen, die die jeweiligen ersten Öffnungen (15) gasdicht verschließen. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatte (31) der zweiten Abtrennvorrichtung (39) als Schiebeplatte ausgebildet ist, , oder Dichtplatten (31) der zweiten Abtrennvorrichtungen (39) jeweils als Schiebeplatte ausgebildet sind. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsvorrichtung (11) eine Sockeleinrichtung (29) aufweist, an der die Dichtplatte (31) angeordnet ist oder die Reaktionsvorrichtungen (11) jeweils eine Sockeleinrichtung (29), an denen jeweils eine Dichtplatte (31) angeordnet ist. Rea ktorsy stem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abtrennvorrichtung (25) eine Vakuumdichtung (35) aufweist und/oder dass die Dichtungseinrichtung (45) der zweiten Abtrennvorrichtung (39) eine Vakuumdichtung (35) aufweist. Reaktorsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Abtrennvorrichtung (25,39) jeweils eine weitere Dichtung (37) aufweist, die konvektiven Wärmetransport zur Vakuumdichtung (35) reduziert. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungskammer (3) mehrere Strahlungsöffnungen (21) aufweist, die an unterschiedlichen Seiten der Erwärmungskammer (3) angeordnet sind. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, die mindestens eine Strahlungsöffnung (21) einen Sekundärkonzentrator (23) aufweist oder die Strahlungsöffnungen (21) jeweils einen Sekundärkonzentrator (23) aufweisen. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungskammer (3) mindestens eine Vakuumpumpe aufweist. Reaktorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmungskammer (3) eine kreiszylindrische Form mit einer gewölbten Decke aufweist. Reaktorsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite der Erwärmungskammer (3) kann eine gewölbte Form aufweist. Reaktorsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmekammer (5) eine an die Erwärmungskammer (3) angepasste kreiszylindrische Form aufweist. Solaranlage mit mehreren Solarstrahlung konzentrierenden Reflektoren und einem Reaktorsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20. Solaranlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die konzentrierenden Reflektoren als Heliostaten ausgebildet sind, wobei die He- liostaten in Teilfeldern angeordnet sind, deren Position an die einzelnen Positionen der Strahlungsöffnungen angepasst ist.
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