Oxygen crossover in solid‑solid heat exchangers for solar thermochemical redox cycles

Holzemer-Zerhusen, Philipp; Sattler, Christian; Wetzel, Thomas

doi:HT030693562

Oxygen crossover in solid‑solid heat exchangers for solar thermochemical redox cycles = Sauerstoffübergang in Feststoffwärmetauschern für solarthermochemische Redoxkreisprozesse

Holzemer-Zerhusen, Philipp^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Holzemer‑Zerhusen

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Sattler, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Wetzel, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-01-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-02052
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/980045/files/980045.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Brennstofferzeugung (422810)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Feststoffwärmeübertragung (frei) ; Sauerstoffübergang (frei) ; Solarchemie (frei) ; Verfahrenstechnik (frei) ; chemical engineering (frei) ; oxygen crossover (frei) ; solar chemistry (frei) ; solar fuels (frei) ; solare Brennstoffe (frei) ; solid-solid heat transfer (frei) ; thermochemical cycles (frei) ; thermochemische Kreisprozesse (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zweistufige solarthermochemische Redoxkreisprozesse stellen einen vielversprechenden Weg zu CO2‑neutralen Kraftstoffen dar. Dabei wird Solarstrahlung konzentriert, um bei hohen Temperaturen Sauerstoff aus einem Redoxmaterial freizusetzen. Dieses Material kann dann bei niedrigeren Temperaturen H2O und/oder CO2 spalten, wobei erneuerbarer H2 oder Synthesegas entsteht. Letzteres kann beispielsweise zu einem flüssigen Kraftstoff weiterverarbeitet werden. Ein entscheidender Faktor für einen effizienten und wettbewerbsfähigen Prozess ist die Wärmerückgewinnung zwischen Sauerstofffreisetzung und Spaltschritt. Es ist zu erwarten, dass es in einem entsprechenden Wärmetauscher zu einem unerwünschten Übergang von Sauerstoff vom oxidierten zum reduzierten Redoxmaterial kommen kann, wenn dies nicht durch eine Trennung der beiden Materialströme verhindert wird. Eine Trennung könnte allerdings die Effektivität der Wärmerückgewinnung einschränken. Dieser Sauerstofftransport würde reduziertes Redoxmaterial vor der Spaltreaktion oxidieren, wobei die Fähigkeit des Materials H2O oder CO2 zu spalten verringert wird. Die Folge wäre ein geringerer Prozesswirkungsgrad. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung dieses Sauerstofftransfers, der im Folgenden als Rekombination bezeichnet wird. Die Auswirkung der Rekombination auf den Wirkungsgrad wird mit Simulationen unter Annahme chemischer Gleichgewichte oder gegebener Reaktionsraten untersucht. Die Ergebnisse werden auf Einhaltung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik untersucht. Die Kinetik der Reoxidation von Ceroxid, einem gängigen Redoxmaterial, wird experimentell untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchstand konstruiert und gebaut. In diesen Experimenten wird auch die Zugabe eines Inertgases als Massentransportwiderstand in die Gasphase des Wärmetauschers und ihr Einfluss auf die Reoxidationskinetik untersucht. Darüber hinaus wird ein eindimensional aufgelöstes numerisches Modell von indirekter Wärmerückgewinnung über einen Wärmespeicher aufgestellt. Auf Grundlager aller Ergebnisse werden abschließend verschiedene Optionen zur Wärmerückgewinnung in solaren Redoxkreisprozessen verglichen. Die Simulationen zeigen eine Korrelation zwischen Wärmerückgewinnung und Rekombination. Bei hoher Wärmerückgewinnung senkt Rekombination den Gesamtwirkungsgrad stärker als dieser durch die Wärmerückgewinnung erhöht wird. Bei niedriger Wärmerückgewinnung ist die Rekombination umgekehrt, sodass das reduzierte Material weiter reduziert wird. Dieser Effekt wird durch den Sauerstoffpartialdruck im Wärmetauscher verursacht. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe eines Inertgases die Reoxidation der Ceroxidprobe tatsächlich verlangsamt. Wird diese Erkenntnis in Simulationen berücksichtigt, erscheint es realistisch, dass Wärmerückgewinnung die Effizienz des Prozesses trotz Rekombination erhöhen kann. Für das indirekte Wärmetauscherkonzept, das eine technisch leichter umsetzbare Alternative zu Gegenstromwärmetauschern sein kann, wurde eine vielversprechende Wärmerückgewinnung berechnet.

Two‑step solar thermochemical redox cycles represent a promising path to carbon‑neutral fuels. In this process, solar radiation is concentrated to release oxygen from a redox material at high temperatures. This material can then split H2O and/or CO2 at lower temperatures, producing renewable H2 or synthesis gas. The latter can be further processed into a liquid fuel, for example. A crucial factor for an efficient and competitive process is heat recovery between oxygen release and the splitting step. It is expected that an undesired crossover of oxygen from the oxidised to the reduced redox material may occur in a corresponding heat exchanger if this is not prevented by separating the two material flows. However, physical separation could limit the effectiveness of heat recovery. This oxygen transport would oxidise reduced redox material prior to the splitting reaction, reducing its ability to split H2O or CO2. The consequence would be a lower process efficiency. The present work is dedicated to the investigation of said oxygen transfer, which is referred to as recombination. The effect of recombination on the process efficiency is investigated with simulations assuming chemical equilibria or given reaction rates. The results are examined for compliance with the second law of thermodynamics. The kinetics of the re‑oxidation of ceria, a common redox material, is investigated experimentally. A test rig was designed and built for this purpose. In these experiments, the addition of an inert gas as a mass transport resistor to the gas phase of the heat exchanger and its influence on the re‑oxidation kinetics is investigated. Furthermore, a one‑dimensionally resolved numerical model of indirect heat recovery via a heat storage unit is developed. Finally, based on all results, different options for heat recovery in solar redox cycles are compared. The simulations show a correlation between heat recovery and recombination. At high heat recovery, recombination lowers the overall efficiency more than it is increased by heat recovery. At low heat recovery, recombination is reversed so that the reduced material is further reduced. This effect is caused by the oxygen partial pressure in the heat exchanger. Experimental results show that the addition of an inert gas actually decelerates the re‑oxidation of the ceria sample. If this finding is considered in simulations, it seems realistic that heat recovery can increase the efficiency of the process despite recombination. For the indirect heat exchanger concept, which can be a technically easier‑to‑implement alternative to counter current heat exchangers, calculations yield promising heat recovery ratios.

OpenAccess:
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