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Untersuchung des Honigmann-Prozesses zur thermochemischen Energiespeicherung
Jahnke, Anna
Topic of this work is the evaluation of a thermochemical energy conversion and storage process. It can be loaded either with the input of heat or mechanical work. The stored energy can be retrieved in the form of heat, cold or mechanical work at a later point in time. The process was originally invented to drive a fireless locomotive and was patented at the end of the 19th century by Moritz Honigmann, an entrepreneur and chemist. Therefore, the process is called 'Honigmann process' in this work. Due to the increasing need for energy storage systems today, it seems promising to reconsider the process under the conditions and restrictions of a future energy supply system.
Within this work, a laboratory plant with the working fluid pair aqueous lithium bromide solution and water was built and put into function. To do so, a concept for the realization of the process in a lab environment had to be developed. The principles of continuous absorption cooling technology had to be harmonized with the instationary storage operation. Furthermore, an experimental procedure had to be developed to complete a full storage cycle. From historic publications, it is already known that the process works in general. Now, for the first time, process data were taken with modern measurement technology, so that the pairs of internal temperature and pressure in the main vessels could be presented in the solution field. With this measuring data, it is now possible to discuss under which conditions the process could be used at present time.
The measured storage density and the measured conversion efficiency are lower than expected, though. An important part of the experimental and theoretical work was the investigation of the reasons for this low performance. The major losses in the laboratory plant are heat losses to the environment, a small ratio of the thermal mass of the storage medium to the thermal mass of the heat exchangers and other components, and an extremely low efficiency of the used expansion machine. The identified losses were quantified and it was found that the loss-mechanisms do not question the main principle.
In addition, a physical model is presented in this work. It allows carrying out dynamic process simulations, so that the basic behavior of the process can be described and predicted. The working pair LiBr/H2O was chosen to investigate the principles of the process as it is well known from absorption cooling applications. However, all adsorbents and absorbents as well as many chemical reactions could be used. The investigations have shown that for a future technology development these possibilities should be studied in comparison in more detail. Furthermore, an expansion machine which is better suited for the integration into the process should be found.
Still, even after this work, the potential for optimization of the Honigmann process is not fully understood, and not all eventual technical difficulties are clear. All in all, the process shows key numbers in the same range as other energy storage processes. It is surely advisable to investigate the process further, for the sake of its strength as a flexible storage, which combines the sectors electricity, heat, and cold.
Thema der Arbeit ist die Untersuchung eines thermochemischen Prozesses, welcher sich gleichzeitig zur Energiespeicherung und zur Energiewandlung nutzen lässt. Ein auf diesem Prozess basierender Speicher kann mit Hilfe von Wärme oder mechanischer Energie beladen werden. Die gespeicherte Energie wird dem Nutzer dann zu einem späteren Zeitpunkt in Form von Kälte, Wärme oder mechanischer Arbeit zur Verfügung gestellt. Ursprünglich wurde der Prozess Ende des 19. Jahrhunderts von dem Unternehmer und Chemiker Moritz Honigmann zum Patent angemeldet und für den Betrieb einer feuerlosen Lokomotive verwendet. Aus diesem Grund wird der Prozess in dieser Arbeit "Honigmann-Prozess" genannt. Aufgrund des zunehmenden Bedarfs an Energiespeichern erscheint es aktuell sinnvoll, den Prozess mit den Randbedingungen eines zukünftigen Energieversorgungssystems neu zu betrachten.
Innerhalb dieser Arbeit wurde eine Versuchsanlage mit dem Arbeitsmittelpaar wässrige Lithiumbromid-Lösung und Wasser aufgebaut und in Betrieb genommen. Hierzu musste ein Anlagenkonzept entwickelt werden, in welchem die Prinzipien der kontinuierlichen Absorptionskältetechnik mit dem instationären Speicherbetrieb in Einklang gebracht werden. Des weiteren wurde ein Versuchsablauf entwickelt, mit welchem ein kompletter Speicherzyklus durchfahren werden kann. Zwar ist aus den historischen Veröffentlichungen bereits bekannt, dass der Prozess grundsätzlich funktioniert. Jedoch wurde der Prozess erstmalig mit moderner Messtechnik vermessen, so dass die Paare von interner Temperatur und Druck in den Hauptkomponenten im Lösungsfeld dargestellt werden können. Dadurch kann nun diskutiert werden, unter welchen Bedingungen der Prozess auch heute sinnvoll eingesetzt werden könnte.
Die gemessene Speicherdichte und der gemessene Wirkungsgrad der Energieumwandlung sind jedoch geringer als erwartet. Ein wichtiger Teil der experimentellen und theoretischen Arbeiten war die Untersuchung der Gründe für die geringe Effizienz. Die Hauptursachen sind Wärmeverluste an die Umgebung, ein geringes Verhältnis der thermischen Masse der Arbeitsmittel zur thermischen Masse der Wärmeübertrager und Bauteile, sowie ein extrem kleiner Wirkungsgrad der verwendeten Expansionsmaschine. Die identifizierten Verluste wurden quantifiziert und es wurde festgestellt, dass die Verlustmechanismen das grundlegende Prinzip nicht in Frage stellen.
Zusätzlich wird in der Arbeit ein mathematisch-physikalisches Modell vorgestellt, welches die Durchführung von dynamischen Simulationsrechnungen für den Prozess ermöglicht. Mit Hilfe der Simulationen kann das grundlegende Verhalten des Prozesses beschrieben und vorhergesagt werden. Das Arbeitsmittelpaar LiBr/H2O wurde für die Untersuchungen verwendet, da es aus dem Gebiet der Absorptionskältetechnik gut bekannt ist. Prinzipiell kommen jedoch alle Ad- und Absorbentien sowie viele chemische Reaktionen für den Speicher in Frage. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass für eine zukünftige technologische Weiterentwicklung diese Möglichkeiten im Vergleich genauer untersucht werden sollten. Des weiteren sollte eine für die Integration in den Prozess besser geeignete Expansionsmaschine gefunden werden.
Insgesamt zeigt der Honigmann-Prozess Kennwerte, die im Bereich konkurrierender Energiespeichertechnologien liegen. Aber auch nach dieser Arbeit ist sein Optimierungspotenzial noch nicht vollständig ausgelotet, und auch noch nicht alle möglicherweise auftretenden technischen Schwierigkeiten sind bekannt. Die weitere Untersuchung als flexibler Speicher, welcher die Sektoren Strom, Wärme und Kälte miteinander verknüpft, ist deshalb sicher sinnvoll.
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