Für den ökonomischen Erfolg konzentrierender Solarkraftwerke und für die Effizienz-steigerung der Industrie durch Weiterverwendung von Abwärme sind skalierbare Hochtemperatur-Wärmespeicher zu vertretbaren Kosten unabdingbar. Bisher sind für dieses Anwendungsgebiet nur sensible Speicher kommerziell verfügbar. Denen gegenüber besitzen chemische Speicher zahlreiche Vorteile. Sie bieten höhere Speicherdichten, geringere Wärmeverluste, die Möglichkeit zur Wärmetransformation durch Variation des Reaktionsdrucks und eine Vielzahl von Reaktionssystemen für eine optimale Prozess-integration. Jedoch befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase. Die reversible Gas-/Feststoffreaktion von Calciumoxid und Wasserdampf zu Calcium-hydroxid geschieht bei Temperaturen von 400 – 600 °C und ist damit optimal für solarthermische Anwendungen geeignet. Für die Entwicklung eines Speichers ist neben der thermochemischen Charakterisierung des Speichermaterials ein effizientes, skalierbares Reaktorkonzept nötig. Ein Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett ermöglicht die Trennung der zwei charakteristischen Speichergrößen Leistung und Kapazität und stellt damit einen wirtschaftlichen Speicher in Aussicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aufbau und Inbetriebnahme eines neuen Teststandes, in welchem ein innovatives Reaktordesign erprobt werden soll. Sie beschreibt die Auslegung einer planaren Reaktorgeometrie, die einen Schwerkraftfluss des Bettes und die Modularisierung für größere Anlagen gewährleistet. Bei Vorversuchen stellt sich die homo-gene Bewegung des Reaktionsbettes aufgrund dessen Kompressibilität als schwierig heraus. Der angestrebte homogene Massenfluss des Reaktionsmaterials kann durch die ursprünglich eingesetzten Feindosiereinheiten nicht erzielt werden. Sie zeigen sich jedoch für die Temperierung des Speichermediums und die Gasdichtheit des Reaktionsraumes als geeignet. Das homogene Ausfließen wird einer separaten Austragshilfe zugeteilt, welche konstruiert und umgesetzt wird. Experimente mit einem Schaureaktor identifizieren eine Zahnwelle als beste Option. Für einen kommerziellen Speicher wird ein Schlitzschieber empfohlen. Ebenso erfolgen Auslegung und Errichtung der peripheren Anlagenteile, wie z.B. die Fertigung eines Druckhalters zur Steuerung der Reaktionstemperatur. Am Teststand werden somit alle Vorbereitungen abgeschlossen, um Heißversuche bei Reaktionstemperatur durchzuführen.

Für den ökonomischen Erfolg konzentrierender Solarkraftwerke und für die Effizienz-steigerung der Industrie durch Weiterverwendung von Abwärme sind skalierbare Hochtemperatur-Wärmespeicher zu vertretbaren Kosten unabdingbar. Bisher sind für dieses Anwendungsgebiet nur sensible Speicher kommerziell verfügbar. Denen gegenüber besitzen chemische Speicher zahlreiche Vorteile. Sie bieten höhere Speicherdichten, geringere Wärmeverluste, die Möglichkeit zur Wärmetransformation durch Variation des Reaktionsdrucks und eine Vielzahl von Reaktionssystemen für eine optimale Prozess-integration. Jedoch befinden sie sich noch in der Entwicklungsphase. Die reversible Gas-/Feststoffreaktion von Calciumoxid und Wasserdampf zu Calcium-hydroxid geschieht bei Temperaturen von 400 – 600 °C und ist damit optimal für solarthermische Anwendungen geeignet. Für die Entwicklung eines Speichers ist neben der thermochemischen Charakterisierung des Speichermaterials ein effizientes, skalierbares Reaktorkonzept nötig. Ein Reaktor mit bewegtem Reaktionsbett ermöglicht die Trennung der zwei charakteristischen Speichergrößen Leistung und Kapazität und stellt damit einen wirtschaftlichen Speicher in Aussicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Aufbau und Inbetriebnahme eines neuen Teststandes, in welchem ein innovatives Reaktordesign erprobt werden soll. Sie beschreibt die Auslegung einer planaren Reaktorgeometrie, die einen Schwerkraftfluss des Bettes und die Modularisierung für größere Anlagen gewährleistet. Bei Vorversuchen stellt sich die homo-gene Bewegung des Reaktionsbettes aufgrund dessen Kompressibilität als schwierig heraus. Der angestrebte homogene Massenfluss des Reaktionsmaterials kann durch die ursprünglich eingesetzten Feindosiereinheiten nicht erzielt werden. Sie zeigen sich jedoch für die Temperierung des Speichermediums und die Gasdichtheit des Reaktionsraumes als geeignet. Das homogene Ausfließen wird einer separaten Austragshilfe zugeteilt, welche konstruiert und umgesetzt wird. Experimente mit einem Schaureaktor identifizieren eine Zahnwelle als beste Option. Für einen kommerziellen Speicher wird ein Schlitzschieber empfohlen. Ebenso erfolgen Auslegung und Errichtung der peripheren Anlagenteile, wie z.B. die Fertigung eines Druckhalters zur Steuerung der Reaktionstemperatur. Am Teststand werden somit alle Vorbereitungen abgeschlossen, um Heißversuche bei Reaktionstemperatur durchzuführen.:Kurzfassung.....................................................................II Aufgabenstellung ..............................................................III Inhaltsverzeichnis ..............................................................V Nomenklatur ...................................................................VII Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ............................................IX Vorwort ........................................................................XI 1 Einleitung ................................................................... 1 2 Theorie thermischer Energiespeicher .......................................... 3 2.1 Beschreibung von Wärmespeichern ............................................ 3 2.2 Sensible Wärmespeicher ..................................................... 4 2.3 Latente Wärmespeicher....................................................... 9 2.4 Sorptive Wärmespeicher .....................................................12 2.5 Chemische Wärmespeicher ....................................................14 3 Spezifikation des thermochemischen Speichersystems ...........................17 3.1 Thermochemische Grundlagen .................................................17 3.2 Motivation der Aufgabenstellung ............................................20 3.3 Charakterisierung des Reaktionssystems .....................................21 4 Systembeschreibung des Speicherkonzepts ......................................26 4.1 Kurzdarstellung der Ausgangssituation ......................................26 4.2 Weiterentwicklung zum bewegten Reaktionsbett ...............................27 4.2.1 Theorie des bewegten Reaktionsbettes .....................................27 4.2.2 Konstruktion des Reaktors ................................................28 4.2.3 Förderung des Speichermaterials ..........................................31 4.3 Periphere Anlagenteile .....................................................33 4.3.1 Anlagenschema ............................................................33 4.3.2 Entwurf des Druckhalters .................................................35 INHALTSVERZEICHNIS VI 4.3.3 Ausführung der Elektro- und Messtechnik ..................................37 5 Experimentelle Untersuchungen ................................................39 5.1 Versuchsdurchführung .......................................................39 5.2 Betrieb der Fördereinheiten ................................................40 5.3 Optimierung der Fördereinheiten ............................................44 5.3.1 Inaktive Mischpaddel .....................................................44 5.3.2 Modifizierte Mischpaddel .................................................47 5.4 Erkenntnisse ...............................................................49 6 Finales Konzept des Versuchsstandes ..........................................50 6.1 Lösungsansätze für den Massenfluss .........................................50 6.2 Gestaltung der Austragshilfe ...............................................54 7 Zusammenfassung und Ausblick .................................................57 Eidesstattliche Erklärung ......................................................59 Literatur- und Quellenverzeichnis ..............................................60 Anlagen ........................................................................63 A.1. Parametrierung des Temperaturwächters (Kapitel 4.3.3) .....................63 A.2. Inhalt des beigelegten Datenträgers (Einband) .............................63 A.3. Berechnung der Aufheizstrecke des Stickstoffstroms (Kapitel 4.3.1) ........64 A.4. Konstruktionszeichnung des Druckhalters (Kapitel 4.3.2) ...................65 A.5. Dampftafel: Sättigungsdampfdruck von Wasserdampf (Kapitel 4.3.2) ..........66 A.6. Stromlaufpläne und Baugruppenliste des Teststandes (Kapitel 4.3.3) ... ....67 A.7. Ermittlung der Kabelquerschnitte für Stromlaufplan (Kapitel 4.3.3) ........73 A.8. Parametrierung der Frequenzumrichter (Kapitel 5.1) ....................... 74 A.9. Ergebnisse der Kalibiermessungen (Kapitel 5.2) ............................75 A.10. Berechnungen zur Dynamik des Schlitzschiebers (Kapitel 6.1) ............. 76 A.11. Konstruktionszeichnungen der Austragshilfe (Kapitel 6.2) .................77