A systematic multi-step screening of numerous salt hydrates for low temperature thermochemical energy storage

摘要

In dieser Publikation wurden die potentiellen Energiespeicherdichte und der Speicher-Wirkungsgrad von Salzhydraten als thermochemischen Speichermaterialien zur Speicherung von Wärme ermittelt, die von einem Mikro-Blockheizkraftwerk (Mikro-BHKW) erzeugt wird. Da Salzhydrate bei verschiedenen Anwendungen hinter den Erwartungen zurückgeblieben sind, wurde eine systematische Evaluation für die Eignung von 125 Salzhydraten in einer dreistufigen Prozedur durchgeführt. Im ersten Schritt wurden generelle Aspekte wie Toxizität und Explosionsrisiko berücksichtigt. Im zweiten und dritten Schritt implementierten die Autoren einen kombinatorischen Ansatz, der aus theoretischen Berechnungen und experimentellen Messungen mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) besteht. Damit wurde eine systematische Evaluation der potentiellen Energiespeicherdichte und Effizienz von 45 vora-usgewählten Salzhydraten für Niedertemperatur-Wärmespeicheranwendungen bei unter 105℃ durchgeführt. Für eine Anwendung, die eine Entladetemperatur über 60 ℃ benötigt, sind SrBr_2·6H_2O und LaCl_3·7H_2O zumindest vom thermodynamischen Standpunkt, aus die vielversprechendsten Speichermaterialien. Jedoch erscheint deren jeweilige maximale Nettoenergiespeicherdichte inklusive Wasserspei-rnchertank unter Betrachtung eines klassischen thermochemischen Wärmespeicherprozesses von 133 kW h m~(-3) bzw. 89 kW h m~(-3) nicht attraktiv für die betrachtete Anwendung. Weiterhin ist die thermische Effizienz, die aus dem Speicherprozess ohne Kondensationswarme-Rückgewinnung resultiert, ebenfalls sehr niedrig (niedriger als 40%, typischerweise 25%). Sogar für Anwendungen, die eine geringere Ausspei-chertemperatur, z.B. 35 ℃, benötigen, bleibt die zu erwartende Effizienz und Nettoenergiespeicherdichte niedrig. Alternative Prozesse werden benötigt, um Salzhydrate in Niedrigtemperaturspeicher-Anwend-ungen zu implementieren.%In this paper, the potential energy storage density and the storage efficiency of salt hydrates as thermochemical storage materials for the storage of heat generated by a micro-combined heat and power (micro-CHP) have been assessed. Because salt hydrates used in various thermochemical heat storage processes fail to meet the expectations, a systematic evaluation of the suitability of 125 salt hydrates has been performed in a three-step approach. In the first step general issues such as toxicity and risk of explosion have been considered. In the second and third steps, the authors implement a combined approach consisting of theoretical calculations and experimental measurements using Thermogravimetric Analysis (TGA). Thus, application-oriented comparison criteria, among which the net energy storage density of the material and the thermal efficiency, have been used to evaluate the potential of 45 preselected salt hydrates for a low temperature thermochemical heat storage application. For an application that requires a discharging temperature above 60 ℃, SrBr_2·6H_2O and LaCl_3·7H_2O appear to be the most promising, only from thermodynamic point of view. However, the maximum net energy storage density including the water in the water storage tank that they offer (respectively 133 kW h m~(-3) and 89 kW h m~(-3)) for a classical thermochemical heat storage process are not attractive for the intended application. Furthermore, the thermal efficiency that would result from the storage process based on salt hydrates without condensation heat recovery appears also to be very low (lower than 40% and typically 25%). Even for application requiring lower discharging temperature like 35 ℃, the expectable efficiency and net energy storage density including the water storage remain low. Alternative processes are needed to implement for salt hydrates in low temperature thermochemical heat storage applications.