Solar thermochemical energy storage in elemental sulphur; Design, development and construction of a lab-scale sulphuric acid splitting reactor powered by hot ceramic particles

硫黄による熱化学的太陽エネルギー貯蔵法; 高温セラミック粒子駆動型硫酸分解反応器の設計開発

Thanda, V. K.*; Thomey, D.*; Mevien, L.*; 野口 弘喜  ; Agrafiotis, C.*; Roeb, M.*; Sattler, C.*

Thanda, V. K.*; Thomey, D.*; Mevien, L.*; Noguchi, Hiroki; Agrafiotis, C.*; Roeb, M.*; Sattler, C.*

太陽光集光技術を利用したエネルギー変換技術として、硫黄製造によるエネルギー貯蔵システムが提案されている。本システムでは、太陽光集光により加熱されたボーキサイト粒子を熱媒体として硫酸を蒸発・分解させる革新的な硫酸分解反応器が提案されている。ドイツ航空宇宙センターでは、実験室規模での硫酸分解反応器を設計・製作し、本反応器の検証試験を進めている。本硫酸分解反応器の設計検討として、一次元熱伝達モデルによる反応器のサイジング、硫酸の入口部の材料選定、検証試験用の粒子加熱器の伝熱・構造解析による設計検討を行い、実験室規模の硫酸分解反応器の詳細設計を完了した。今後、硫酸分解反応器,粒子加熱器等を製作し、検証試験を進め、最終的には、人工太陽設備Synlightと組み合わせた実証試験を実施する計画である。

A proof of concept sulfuric acid splitting/decomposition prototype driven by hot bauxite particles is designed and developed. The lab-scale test reactor is a novel counter-current flow shell-and-tube heat exchanger with particles on the shell side and sulfuric acid on the tube side with mass flow rates of 10 kg/h and 2 kg/h, respectively. A one-dimensional heat transfer model was developed based on correlations of the flow boiling heat transfer coefficient and particle bed heat transfer coefficient for sizing the shell-and-tube heat exchanger. A detailed study was carried out in order to choose suitable materials especially in the sulfuric acid inlet and evaporation section. A new concept of an electrically heated, continuously operated particle heating system was designed and developed to provide the splitting reactor with hot particles. Different cases were studied using a finite element method (FEM) analysis to qualify the particle heater and examine its thermo-mechanical stability.