Untersuchungen von Magnesiumsulfat-Hydraten und Sulfat/Chlorid-Mischungen für die Eignung als Aktivstoff in Kompositmaterialien für die thermochemische Wärmespeicherung

Posern, Konrad

Die thermochemische Wärmespeicherung über reversible Salzhydratation stellt einen aussichtsreichen Weg zur Speicherung von Niedertemperaturwärme, wie z.B. solarer Energie, dar. Untersuchungen an Magnesiumsulfat-Hydraten zeigen, dass das bei 130°C entwässerte Magnesiumsulfat-Heptahydrat seinen thermodynamisch stabilen Endzustand während der Reaktion mit gasförmigem Wasser nicht wieder erreicht. Um diese kinetische Hemmung zu überwinden und den Einfluss von unterschiedlichen Porenräumen auf die Hydratation bzw. Sorption des Magnesiumsulfates zu charakterisieren, wurde das Magnesiumsulfat in Trägermaterialien auf Basis offenporiger Gläser mit durchschnittlichen Porendurchmessern von 4 nm bis 1,4 µm eingebracht und diese Kompositmaterialien untersucht. Dabei ist festgestellt worden, dass jede salzbezogene Sorptionswärme im Porenraum höher ist, als die des ungeträgerten Salzes und mit kleiner werdendem Porenradius weiter zunimmt. Weiterhin wurden Teile des Magnesiumsulfates mit niedrig deliqueszierenden Salzen substituiert, um die Wasseraufnahme und somit die Wärmespeicherkapazität zu erhöhen. Dies stellt einen neuen Weg zur Herstellung von Kompositmaterialien dar, über den man Eigenschaften wie Deliqueszenzfeuchte und Desorptionstemperatur einstellen und an die Sorptionsbedingungen eines Speichers anpassen kann. Als niedrig deliqueszierende Salze wurden Magnesiumchlorid und Lithiumchlorid als Zusätze untersucht, wobei ein Ansteigen der Sorptionswärme und Wasseraufnahme mit steigendem Chloridanteil festgestellt wurde. Aufgrund der geringeren Deliqueszenzfeuchte des Lithiumchlorides gegenüber dem Magnesiumchlorid wurden bei gleichen Massenverhältnissen höhere Sorptionswärmen erzielt. Untersuchungen zu Zinksulfat in Verbindung mit Chloriden bescheinigen diesem Salz -speziell bei tieferen Entwässerungstemperaturen- eine gute Eignung als Aktivstoff zur Wärmespeicherung. Zusammenfassend konnte festgestellt werden, dass sich die Wärmespeicherkapazitäten über die Porengröße, in die das Salz eingebracht wird, und die gewählte Mischungszusammensetzung steuern lassen. Die gemessenen Sorptionswärmen ermöglichen insbesondere bei niedrigen Sorptionstemperaturen und hohen Luftfeuchtigkeiten den Schluss, dass die Verwendung von Salzmischungen als Aktivkomponente in Kompositmaterialien einen geeigneten Weg zur thermochemischen Speicherung solarer Wärme (≤130 °C) darstellt.

Thermochemical heat storage based on reversible salt hydration is a promising way for low temperature storage, like solar energy. Investigations on magnesium sulfate hydrates, which were dehydrated at 130 °C show, that the thermodynamic stable product of the reaction with gaseous water is not reached. To overcome this kinetic hindrance different host materials were impregnated with magnesium sulfate and the composite materials were characterized. The sorption behavior of the dehydrated sulfate within host materials with different pore sizes (4 nm – 1.4 µm) was investigated. It could be found, that the heat of sorption of magnesium sulfate increases with decreasing pore sizes and correlates with the water sorption. Additionally different parts of magnesium sulfate were substituted with low deliquescent salts to improve the water uptake and the heat storage capacity. The using of such salt mixtures is a new way to set parameters like deliquescence relative humidity and temperature of desorption on the performance of a heat storage system. Magnesium chloride and lithium chloride were used as low deliquescent salts. The heat of sorption and the water uptake increase with an increasing amount of the chloride. Due to the lower deliquescence relative humidity of lithium chloride compared to the magnesium chloride, higher heats of sorption could be measured at the same mass ratios. Mixtures of zinc sulfate with chlorides are suitable for thermochemical heat storage applications, in particular at low temperatures of desorption. In summary, it was found that the heat storage capacities are influenced by the pore size of the host material and the chosen salt mixture. At low sorption temperatures and high relative humidities the using of salt mixtures is an appropriate way for the thermochemical storage of solar heat (≤130 °C).

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Posern, Konrad: Untersuchungen von Magnesiumsulfat-Hydraten und Sulfat/Chlorid-Mischungen für die Eignung als Aktivstoff in Kompositmaterialien für die thermochemische Wärmespeicherung. 2012.

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