Komposit-Adsorbentien, die aus einer mit hygroskopischem Salz imprägnierten Zeolithmatrix bestehen, bilden eine vielversprechende Materialklasse für die thermochemische Energiespeicherung (TCES).
Sie vereinen die hohe Wärmespeicherdichte des Salzes und die einfache technische Handhabbarkeit des Zeoliths. Dabei verhindert die poröse Matrix das Auslaufen von Salzlösung und kompensiert volumenänderungen während der Ad- und Desorption. Das dynamische Sorptionsverhalten solcher Komposite unterscheidet sich jedoch von dem reiner Zeolithe. Speziell die Adsorptionskinetik ist langsamer, was zu Problemen wie einer geringeren und nicht konstanten thermischen Leistung sowie unvollständiger Adsorption und langen Adsorptionspasen von Energiespeichern auf Basis dieser Materialien führt.
Numerische Modellierung hat sich als wichtiges Werkzeug erwiesen, um die Ursachen solcher Leistungseinschränkungen zu identifizieren. Dadurch erleichtert es die Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern: Optimale Designs und Arbeitsbedingungen können per Simulation gefunden werden bevor Prototypen gebaut werden müssen. In dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell einer Adsorbensschüttung in einer offenen Sorptionskammer entwickelt, in die Open-Sourve Finite-Elemente-Software OpenGeoSys implementiert und mittels experimenteller Daten validiert. Die Modellierungserebnisse zeigen, dass etablierte Sorptionskinetiken das dynamische Adsorptionsverhalten von Salz/Zeolith-Kompositen unter anwendungsrelevanten Arbeitsbedingungen erfassen.
Außerdem zeigen sie, dass der Hauptgrund für die Unterschiede zwischen dem Sorptionsverhalten der Komposite und reiner Zeolithe in ihren qualitativ unterschiedlichen Sorptionsgleichgewichten liegt.
Ein zweiter Fokus dieser Arbeit liegt darauf zu untersuchen, ob ein begrenzter Umfang an experimentellen Daten genügt, um die entwickelten numerischen Modelle zu kalibrieren. Diese Möglichkeit wurde durch Simulationen von dynamischen Adsorptionsvorgängen an Komposit-Adsorbentien bestätigt. Zudem wurden Kriterien entwickelt, die die Rekonstruktion eines robusten Adsorptionsgleichgewichtsmodells
aus einem beschränkten expermientellen Datensatz erlauben. Schließlich wurde im Kontext der Dubinin-Polanyi-Theorie der Adsorption in Mikroporen festgestellt, das die Wahl eines bestimmten Adsorbatdichtemodells nur einen kleinen Einfluss auf Vorhersagen der Leistungsfähigkeit von Adsorbentien für die TCES hat. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden eine fundierte Grundlage für die zukünftige
numerische Untersuchung von Materialien, Reaktorgeometrien und Arbeitsbedingungen während der Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern, die auf Zeolithen oder Komposit-Adsorbentien basieren.:Used symbols and abbreviations
1. Introduction
2. Foundations
2.1. Thermochemical energy storage
2.2. Zeolites and salt/zeolite composites
2.3. Dubinin-Polanyi theory
2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed
2.5. Experimental data
3. Assessment of adsorbate density models
4. Water loading lift and heat storage density prediction
5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data
6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites
7. Summary
7.1. Main achievements
7.2. Conclusions and outlook
Bibliography
A. Publications
A.1. Assessment of adsorbate density models
A.2. A comparison of heat storage densities
A.3. Water loading lift and heat storage density prediction
A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data
A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites / Composite adsorbents consisting of a zeolite host matrix impregnated with a hygroscopic salt are a promising material class for thermochemical energy storage (TCES). They combine the high heat storage density of the salt with the easy technical manageability of the zeolite, which prevents the leakage of salt solution and inhibits volume changes upon ad- and desorption. The dynamic sorption behaviour of such composites, however, is different from the pure host matrix material. Particularly, the adsorption kinetics are slower, which leads to issues such as low and non-steady thermal output power, incomplete adsorption and long adsorption phases of TCES devices using these composite materials. Numerical modelling has proven to be a valuable tool to identify the causes for such performance limitations.
Therefore, it facilitates the development of TCES devices: it allows to easily find optimum designs and operating procedures before actual prototypes have to be built. In this thesis a numerical model of a packed adsorbent bed in an open sorption chamber has been developed, implemented in the open-source finite element software OpenGeoSys and validated with experimental data. The modelling results show that established sorption kinetics models capture the dynamic sorption behaviour of salt/zeolite composites under application-relevant operating conditions. Moreover, they show that the main cause for the differences between the composites' and pure zeolite's sorption behaviour lies in their different sorption equilibria. A second focus of the thesis is to investigate the use of limited experimental data for the calibration of the numerical models. This possibility has been confirmed by dynamic sorption simulations of the composite materials. Furthermore, criteria were determined that allow the reconstruction of a robust adsorption equilibrium description from a reduced experimental data set. Finally, in the context of the Dubinin-Polanyi theory of adsorption in micropores, it has been found that the choice of a specific adsorbate density model has only a small influence on performance predictions of adsorbents for TCES.
In summary, the results from this thesis
will facilitate the screening of materials, reactor geometries and operating conditions
via numerical simulations during the design of TCES devices based on zeolites and composite sorbents.:Used symbols and abbreviations
1. Introduction
2. Foundations
2.1. Thermochemical energy storage
2.2. Zeolites and salt/zeolite composites
2.3. Dubinin-Polanyi theory
2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed
2.5. Experimental data
3. Assessment of adsorbate density models
4. Water loading lift and heat storage density prediction
5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data
6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites
7. Summary
7.1. Main achievements
7.2. Conclusions and outlook
Bibliography
A. Publications
A.1. Assessment of adsorbate density models
A.2. A comparison of heat storage densities
A.3. Water loading lift and heat storage density prediction
A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data
A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:74019 |
| Date | 23 February 2021 |
| Creators | Lehmann, Christoph |
| Contributors | Kolditz, Olaf, Thess, André, Shao, Haibing, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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