Untersuchungen zur Sauerstoffbereitstellung mit Perowskit- Keramik-Schüttungen in einem Festbett-Reaktor

Heidenreich, Manuel

Diese Arbeit belegt, dass die Belastungen auf reversibel arbeitende keramische Materialien sehr gering ausfallen. Die regenerative Sauerstoffbereitstellung stellt damit grundsätzlich niedrigere Anforderungen an die keramischen Perowskit-Materialien zur Sauerstofferzeugung als die Membrantechnologie. Das Absinken der Diffusionskoeffizienten bei niedrigen Temperaturen ist deutlich weniger nachteilig als bei den Membranen die vergleichbare Materialien nutzen. Dies konnte gezeigt werde, indem mit der die O 2 -Entladetechnik und -Beladetechnik im Vergleich zur O 2 -Abtrennung durch keramische Membranen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen bereits große O 2 -Mengen erzeugt werden können. Infolge der niedrigen Temperaturen bestehen keine Probleme mit Reaktionen zwischen dem sauerstoffbereitstellenden Material und den Reaktorwerkstoffen. Dadurch gestaltet sich die Einbindung und Nutzung von Festbett-Schüttungen denkbar einfach. Im Vergleich dazu sind die Anbindung und der Betrieb von dünnen keramischen Membranen in einem Reaktor deutlich aufwendiger. Es ist weniger Peripherie und verfahrenstechnischer Aufwand zur Sauerstoffabtrennung durch reversibel arbeitende Materialien nötig als bei der kryogenen Luftzerlegung, der Druckwechseladsorption oder den Membrantechnologien. Die regenerative Sauerstoffbereitstellung kann sowohl bei neuen als auch bestehenden Anlagen, die Sauerstoff benötigen implementiert werden. Damit ist es möglich den Transport des Sauerstoffs entfallen zu lassen. Eine partielle Phasenumwandlung des BSCF8020 bei erhöhter Temperatur und hohem Sauerstoffangebot spielt für die regenerative Sauerstoffbereitstellung eine untergeordnete Rolle, da die nötigen Zieltemperaturen (450 ggf. bis 650 °C) zur O 2 -Beladung und -Entladung niedriger sind, als der Temperaturbereich in dem die Zersetzung auftreten kann (750 bis 800 °C). Des Weiteren ist die Zeitspanne (O 2 -Beladungsteilzyklus) in der das BSCF8020 ausreichend hohen Sauerstoffgehalten (p O2 > 10 -3 bar) ausgesetzt ist, zu kurz um diese Umwandlungen zu vollziehen. Der O 2 -Entladungsteilzyklus sorgt zusätzlich immer dafür, dass sich u. U. beginnende Zersetzung zurückbildet, da die kubische Phase in Richtung niedrigerer p O2 stabilisiert wird. Es konnte belegt werden, dass die elektronische Steuerung des zyklischen Sauerstoffausbaus und -einbaus beherrschbar ist. Der hohe Abtrenngrad der keramischen Materialien führt dazu, dass der Sauerstoff elektrolytisch rein zu Verfügung gestellt wird. Grundsätzlich sind weitere Forschungen zur Steigerung der Sauerstoffmengen, die pro eingesetzter Masseeinheit an Keramik gewonnen werden können, immer anzustreben, da damit u. U. der Materialeinsatz weiter gesenkt oder auch die energetischen Aufwendungen weiter reduziert werden können. Bei dem, für die multizyklischen Untersuchungen dieser Arbeit ausgewählten BSCF8020(SVT) hat die Cobalt-Komponente mit ca. 80 % den überwiegenden Kostenanteil am Sauerstoff bereitstellenden Material. BSCF-Keramiken mit höherem Eisen-Anteil sollten für multizyklische Anwendungen in Festbett-Reaktoren einer vertiefenden Charakterisierung unterzogen werden, um weitere geeignete Perowskite mit niedrigen Materialkosten zu erschließen.

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Heidenreich, Manuel: Untersuchungen zur Sauerstoffbereitstellung mit Perowskit- Keramik-Schüttungen in einem Festbett-Reaktor. 2017.

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