Influence of different adsorption pairs on the efficiency and energy storage density of a thermochemical sorption energy storage

In dieser Arbeit soll durch die Variation des Arbeitspaares (Adsorptiv / Adsorbens) ein hoher thermischer Wirkungsgrad sowie eine hohe energetische Speicherdichte eines thermochemischen Sorptionsenergiespeichers bei unterschiedlichen Ladebedingungen erzielt werden. Das Stand der Technik Arbeitspaar ist Wasser als Adsorptiv und Zeolith 13X als Adsorbens. Es erreicht Wirkungsgrade und Speicherdichten von bis zu 80 % und 900 kJ kg-1. Hierfür werden jedoch hohe Ladetemperaturen (500 K) und lange Ladezeiten benötigt. Um den Energiespeicher bei niedrigeren Ladetemperaturen und kürzeren Ladedauern effizient zu betreiben, muss das Arbeitspaar variiert werden. In dieser Arbeit wird durch die systematische Variation des Adsorptivs (Alkohole / Wasser) sowie des Adsorbens (Aktivkohle, Zeolith, SAPO, AlPO) der Einfluss des Arbeitspaares auf die Effizienz und die Speicherdichte ermittelt. Hierzu wird eine eindimensionale Simulation des Prozesses erstellt. Das Adsorptionsgleichgewicht wird mit der Potentialtheorie der Adsorption modelliert. Da diese nicht in der Lage ist das Adsorptionsgleichgewicht von Stoffpaaren, welche eine Typ V Isotherme nach IUPAC ausbilden, zu beschreiben, wird eine Adaption der Potentialtheorie vorgestellt, welche dies ermöglicht. In dieser wird bei der Berechnung der Änderung der Freien Energie der Dampfdruck durch einen neu berechneten Desorptionsdruck ersetzt. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass kurzkettige Alkohole auf Aktivkohle ihren maximalen Wirkungsgrad bei niedrigeren Ladetemperaturen erzielen als das Referenzstoffpaar Wasser / Zeolith 13X. Die optimale Ladetemperatur steigt mit der Kettenlänge der Alkohole an. Eine Alternative für den Niedertemperaturbereich bieten des Weiteren unterschiedliche SAPO / AlPO Adsorbentien mit dem Adsorptiv Wasser. Auch diese Systeme erreichen sehr hohe Wirkungsgrade bei geringeren Ladetemperaturen als das Referenzstoffpaar. Nur Arbeitspaare mit dem Adsorptiv Wasser können in offenen Speicheranwendungen eingesetzt werden. Folglich können die Arbeitspaare Methanol bzw. Ethanol auf Aktivkohle, welche im Niedertemperaturbereich die höchste Effizienz aller getesteten Arbeitspaare aufweisen, nur in geschlossenen Anwendungen, wie z.B. Wärmepumpen eingesetzt werden. Der Einfluss weiterer benötigter Anlagenkomponenten auf den Wirkungsgrad wurde zusätzlich analysiert. Hierbei zeigt sich, dass der Speicher nur effizient betrieben werden kann, wenn Niedertemperaturwärme zur Verdampfung des Adsorptivs im Entladeprozess zur Verfügung steht. Der Gesamtwirkungsgrad des Prozesses fällt von 80 % (nur Adsorption / Desorption) auf 40 %, falls Niedertemperaturwärme zur Verfügung steht. Um diesen hohen Gesamtwirkungsgrad bei unterschiedlichen Ladebedingungen zu erreichen, ist die Wahl des passenden Arbeitspaares unverzichtbar.This work aims at reaching high efficiencies and energy densities for thermochemical sorption energy storage processes at different charging conditions. This is achieved by changing the working pair (adsorbate / adsorbent). The state-of-the-art working pair is water/ zeolite 13X. It reaches high efficiencies and energy densities of around 80 % and 900 kJ kg-1 but needs high charging temperatures (500 K) and long charging duration to reach them. In order to operate the energy storage efficiently at low charging temperatures, a systematic change of the adsorbate (alcohols, water) as well as a change of the adsorbent (activated carbon, zeolite, AlPO / SAPO) is studied. To screen these adsorption pairs for different charging conditions a one-dimensional simulation of the process is set up. Within the simulation, the adsorption equilibrium is modelled with the potential theory of adsorption. Since the potential theory is not able to model the adsorption equilibrium of IUPAC type V adsorption systems (e.g. AlPO / SAPO with adsorbate water) independent from temperature, an adaption of the theory is presented. This adaption, which modifies the description of the change in Free Energy by substituting the vapor pressure by a newly calculated desorption pressure, enables the application of the potential theory even for type V adsorption systems. The results of the simulation show that short chain alcohols on activated carbon reach their highest efficiencies at lower charging temperatures than the reference working pair. The ideal charging temperature rises with rising chain length of the alcohol. Another alternative for low-grade thermal energy storage is represented by different SAPO/ AlPO adsorbents with the adsorbate water. These systems reach very high efficiencies at lower desorption temperatures in comparison to the reference pair. Comparing these alternatives, it is obvious, that only water can be used in open storage systems and therefor methanol on activated carbon, which reaches its highest efficiency at even lower temperatures then the AlPO/ SAPO systems, can only be used in closed storage applications like heat pumps. Besides the influence of different adsorption pairs, the influence of the plant components like compressors or heat exchangers on the efficiency is analyzed. The process is only efficient if low grade heat for the vaporization of the adsorbate is available in the discharging step of the storage. The overall efficiency of the process drops from around 80 % (adsorption/ desorption only) to 40 % if low grade heat is available. These high overall efficiencies can only be reached with a suited adsorption pair at the right charging conditions, which shows the importance of adjusting the adsorption pair depending on the application