Modellierung und thermodynamisch-ökonomische Bewertung von Reaktivsystemen zur Verteilung von Sonnenenergie

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  • In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrstufiger Ansatz zur Evaluation der thermodynamischen und ökonomischen Leistungsfähigkeit von neuen stofflich geschlossenen Prozessketten für die Speicherung und den Transport von Sonnenenergie auf Basis von Energie Tragenden Stoffen (ETS) verfolgt. Das ETS-Konzept beruht dabei auf dem Prinzip der thermochemischen Speicherung von solar erzeugter Hochtemperatur-Reaktionswärme und deren Rückwandlung in die gewünschte Energieform in einem geschlossenen Kreislaufprozess. Die Ergebnisse werden mit Benchmark-Werten verglichen, die sich bei gleichem Bilanzraum für eine äquivalente Energieverteilungsprozesskette aus Komponenten nach dem aktuellen StandIn der vorliegenden Arbeit wird ein mehrstufiger Ansatz zur Evaluation der thermodynamischen und ökonomischen Leistungsfähigkeit von neuen stofflich geschlossenen Prozessketten für die Speicherung und den Transport von Sonnenenergie auf Basis von Energie Tragenden Stoffen (ETS) verfolgt. Das ETS-Konzept beruht dabei auf dem Prinzip der thermochemischen Speicherung von solar erzeugter Hochtemperatur-Reaktionswärme und deren Rückwandlung in die gewünschte Energieform in einem geschlossenen Kreislaufprozess. Die Ergebnisse werden mit Benchmark-Werten verglichen, die sich bei gleichem Bilanzraum für eine äquivalente Energieverteilungsprozesskette aus Komponenten nach dem aktuellen Stand der Technik ergeben. Die hier beschriebenen Arbeiten erfolgten unter Nutzung einer vierstufigen Evaluationsmethodik: 1) Für die Definition von Effizienzkriterien und zur Schaffung von Vergleichbarkeit wurde zunächst eine einheitliche Bilanzierungs- und Bemessungssystematik festgelegt, mit welcher sowohl die neuen Transportprozessketten als auch die Benchmark-Prozesskette evaluiert werden. Die Reaktionsthermodynamik der ETS-Systeme beeinflusst die Effizienz der gesamten Verfahrenskette maßgeblich. Um geeignete Stoffsysteme für die weitergehenden Analysen auswählen zu können, wurden daher thermodynamisch begründete Randbedingungen festgelegt, welche von den jeweiligen Reaktivsystemen erfüllt werden müssen. 2) Zur Identifikation von ETS-Systemen, welche diese Randbedingungen erfüllen, wurde ein Material-Screening durchgeführt. Hierzu wurden Zersetzungs- und Reduktionsgleichgewichte vieler Metall-, Übergangsmetall-, (Erd)Alkalimetall- und Halbmetallverbindungen für den betreffenden Temperatur- und Druckbereich berechnet. Basierend auf diesen Ergebnissen sowie Literaturinformationen über das kinetische Verhalten der Materialien wurden mehrere Systeme für weitere Betrachtungen ausgewählt. 3) Unter Nutzung des Prozesssimulationsprogramms AspenPlus® wurden nach Auswahl und Prüfung geeigneter thermodynamischer Modelle für die Wiedergabe von thermochemischen Daten und thermodynamischen Zuständen der involvierten Komponentenmischungen Prozessmodelle für den jeweiligen Energiewandlungsschritt erstellt. Für diejenigen ETS-Systeme, welche mehrere endo- und exotherme Reaktionsschritte beinhalten, wurden zur Ableitung eines optimierten Fließbild-Designs Wärmeintegrations-Berechnungen für die energetische Kopplung der betreffenden Verfahrensschritte zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads durchgeführt. Anhand der Simulationsmodelle konnten Energie- und Massenbilanzen abgeleitet werden, welche Kurzfassung XII für die Berechnung der thermodynamischen sowie ökonomischen Effizienzindikatoren notwendig waren. 4) Einzelne zur Bewertung der Prozessketten-Efizienz in einem Betrachtungs-Basisfall zunächst als fix definierte Parameter der Prozessketten wurden anschließend in Parameterstudien gezielt variiert, um deren Einfluss auf die thermodynamische und ökonomische Effizienz des Gesamtverfahrens zu untersuchen und abzuschätzen, inwieweit sich die Leistungsfähigkeit der untersuchten Prozessketten im Vergleich zum Technologie-Benchmark verbessern lässt. Die Ergebnisse zeigen, dass einige ETS-Prozessketten bereits bei konservativen Basisfall-Annahmen mit dem Technologie-Benchmark konkurrieren können.show moreshow less

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Metadaten
Author:Benjamin Müller
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-87281
Advisor:Wolfgang Arlt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/08/24
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/07/28
Release Date:2017/09/05
SWD-Keyword:Concentrating Solar Power; Energie Tragende Stoffe; Energiespeicher; Prozesssimulation
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
MSC-Classification:80-XX CLASSICAL THERMODYNAMICS, HEAT TRANSFER (For thermodynamics of solids, see 74A15)
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht