Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionsvorrichtung für eine thermochemisches Reaktorsystem sowie ein thermochemisches Reaktorsystem.

Es ist bekannt, für die Erzeugung von Wasserstoff oder Synthesegas ein Redoxmaterial einzusetzen, wobei das Redoxmaterial in Redoxkreisprozessen zur Wasser- und COz-Spaltung verwendet wird. Das Redoxmaterial wird zur chemischen Reduktion erhitzt. In ersten Ansätzen erfolgt die Erhitzung mittels Solarenergie, wobei das Redoxmaterial konzentrierte Solarstrahlung absorbiert.

Erste Konzepte sehen vor, dass zur solaren Erzeugung von Wasserstoff mittels derartiger thermochemischer Kreisprozesse ein partikelförmiges Feststoff medium eingesetzt wird. In diesem Prozess wird das Feststoff medium mit Hilfe von Sonnenenergie bei hohen Temperaturen über eine chemische Reaktion thermisch reduziert und somit für die nachfolgende Reaktion aktiviert. Diesem wird zu einem späteren Zeitpunkt Wasserdampf zugeführt. Das Medium wird durch den Sauerstoff im Wasser oxidiert, so dass Wasserstoff entsteht. Um den Kreisprozess fortführen zu können, muss das oxidierte Medium erneut bei hohen Temperaturen reduziert werden. Bei den bekannten Kreisprozessen fallen die Partikel frei durch den Fokus der konzentrierten Solarstrahlung oder werden durch diesen bewegt. Anschließend werden die Partikel in einen Reaktor zur Durchführung der Oxidation bewegt. Derartige Verfahren haben zwar den Vorteil eines kontinuierlichen Prozesses, jedoch bestehen Probleme hinsichtlich Abriebs der Partikel, Staubbildung durch den Partikelabrieb und beim Partikeltransport.

Es gibt auch sogenannte Feststoffreceiver, in denen das Medium fest in dem Receiver verbaut ist und in einem Batch-Prozess abwechselnd reduziert und oxidiert wird. Bei derartigen Receivern entstehen Nachteile, da der Prozess nicht kontinuierlich erfolgt.

Bei den bekannten Receivern besteht grundsätzlich ferner das Problem einer fehlenden oder unzureichenden Rekuperation der Wärme zwischen dem Reduktionsund dem Oxidationsschritt.

Aus DE 10 2018 201 319 Al ist ein System bekannt, bei dem Blöcke aus Redoxmaterial mittels einer Fördervorrichtung durch den Receiver transportiert werden. Der Transport der Blöcke durch den Receiver ist aufgrund der hohen Temperaturen problematisch.

Grundsätzlich besteht das Problem, dass die Blöcke aus thermochemischen Reaktionsmaterial, die teilweise sehr hohe Temperaturen aufweisen, transportiert werden müssen und im Rahmen eines Reaktionskreisprozess gut erwärmbar sein müssen, wobei ferner eine vorteilhafte Reaktion mit einem Reaktionsfluid möglich sein muss.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Reaktionsvorrichtung für ein thermochemisches Reaktorsystem mit einem Reaktionsmaterial zu schaffen, die in vorteilhafterweise erwärmbar ist und in vorteilhafter Weise eine Reaktion mit einem Reaktionsfluid ermöglicht. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein thermochemisches Reaktorsystem mit einer derartigen Reaktionsvorrichtung zu schaffen

Das erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße thermochemisches Reaktorsystem ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 17.

Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung für ein thermochemisches Reaktorsystem weist mindestens eine Sockeleinrichtung und mindestens einen Feststoffmediumblock auf, wobei der mindestens eine Feststoffmediumblock auf der Sockeleinrichtung angeordnet ist. Der mindestens eine Feststoffmediumblock erstreckt sich entlang einer axialen Richtung und besteht aus einem thermochemischen Reaktionsmaterial. Der mindestens eine Feststoffmediumblock weist mindestens einen Schacht mit mindestens einer Eingangsöffnung und/oder mindestens einer Ausgangsöffnung auf.

Über die Sockeleinrichtung ist der Feststoffmediumblock in vorteilhafter Weise handhabbar, um die Reaktionsvorrichtung im Rahmen eines thermochemischen Kreisprozesses in einem thermochemischen Reaktorsystem zu transportieren. Dazu kann beispielsweise eine Transportvorrichtung an der Sockeleinrichtung angreifen.

Durch das Vorsehen von mindestens einem Schacht in dem Feststoffmediumblock, der mindestens eine Eingangsöffnung und/oder mindestens eine Ausgangsöffnung nach außen hin aufweist, kann der Feststoffmediumblock im Rahmen eines thermochemischen Kreisprozesses in vorteilhafter Weise erwärmt werden und auch eine Reaktion mit einem Reaktionsfluid in vorteilhafter Weise erfolgen, da nicht nur äußere Oberflächen des Feststoffmediumblocks für einen Wärmeaustausch und eine Reaktion zur Verfügung stehen, sondern auch nach innen gerichtete Flächen, die durch den mindestens einen Schacht gebildet werden, für den Wärmeaustausch und als Reaktionsfläche benutzt werden können. Der Schacht ermöglicht, dass beispielsweise Solarstrahlung oder Wärmestrahlung, die für die Erhitzung des Reaktionsmaterials genutzt wird, tief in das Innere des mindestens einen Feststoffmediumblock gelangen kann. Durch den Strahlungstransport entlang der Schachtrichtung findet ein verbesserter Wärmeaustausch statt. Der Feststoffmediumblock kann als offenporöser Körper ausgebildet sein. Durch den Schacht kann beispielsweise die Durchströmung des Feststoffmediumblocks mit einem Reaktionsfluid in vorteilhafter Weise erfolgen, in dem das Reaktionsfluid durch den Schacht in das Innere des Feststoffmediumblocks geleitet wird und durch die Poren nach außen strömt. . Durch das Vorsehen mindestens einer Eingangsöffnung und/oder mindestens einer Ausgangsöffnung des mindestens einen Schachts kann der Feststoffmediumblock von dem reaktionsfluid vollständig durchströmt werden, sodass in vorteilhafter Weise eine Reaktion erfolgen kann. Diese mindestens eine Eingangsöffnung und/oder mindestens einer Ausgangsöffnung kann auch durch einen Kanal in der Sockeleinrichtung zugänglich sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Schacht in dem Feststoffmediumblock eine Eingangsöffnung und mindestens eine Ausgangsöffnung aufweist und somit den Feststoffmediumblock durchdringt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Schacht in axialer Richtung und/oder in einer Richtung quer zu der axialen Richtung erstreckt. Je nach Ausrichtung des Schachtes kann der Schacht in vorteilhafter Weise für den Wärmetransport in das Innere des Reaktionsmaterials oder für den Transport und die Reaktion mit dem Reaktionsfluid dienen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Schächte vorgesehen sind, die zumindest teilweise miteinander verbunden sind. Insbesondere können alle Schächte miteinander verbunden sein.

Die Schächte können beispielsweise einen minimalen Durchmesser ihres Querschnitts von mindestens 10 mm aufweisen. Unter einem Schacht wird im Rahmen der Erfindung eine definierte, gerichtete Aussparung verstanden, die in das Material des Feststoffmediumblocks eingebracht ist

In einer Ausführungsform mit einem Feststoffmediumblock kann vorgesehen sein, dass ein erster Schacht sich in axialer Richtung erstreckt und mehrere zweite Schächte sich quer zu der axialen Richtung erstrecken und mit dem ersten Schacht verbunden sind. Eine derartige Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die sich quer zu der axialen Richtung erstreckenden zweiten Schächte sich in vorteilhafter Weise für den Strahlungs- und Fluidtransport ins Innere des Feststoffmediumblocks eignen und der erste Schacht, der sich in axialer Richtung erstreckt, in vorteilhafter Weise für einen Wärmeaustausch und Fluidtransport.

Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung vorgesehen sein, dass mehrere Feststoffmediumblöcke vorhanden sind, beispielsweise mindestens zwei Feststoffmediumblöcke, die beispielsweise in axialer Richtung aufeinander gestapelt sind. Diese können auf der Sockeleinrichtung gestapelt sein, sodass eine Art Turmform gebildet ist. In jedem der Feststoffmediumblöcke kann mindestens ein Schacht gebildet sein. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung flexibel gestaltbar, da beispielsweise die Anzahl der Feststoffmediumblöcke und die Ausgestaltung der Feststoffmediumblöcke flexibel gestaltbar ist. Darüber hinaus ist eine vereinfachte Herstellung möglich, da die mehreren stapelbaren Feststoffmediumblöcke verglichen zu Ausführungsbeispielen mit einem Feststoffmediumblock in geringerer Größe ausgebildet sein können. Auch besteht die Möglichkeit, einzelne Feststoffmediumblöcke auszutauschen, falls diese beschädigt sind.

Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass ein Feststoffmedi um block aus mehreren Unterblöcken zusammengesetzt ist. Eine derartige Ausgestaltung kann eine vereinfachte Fertigung ermöglichen, da kleiner Einheiten produziert werden können, die später zusammengesetzt werden.

Auch bei einer Ausgestaltung der Reaktionsvorrichtung mit mehreren Feststoffmediumblöcken kann vorgesehen sein, dass sich ein erster Schacht in axialer Richtung durch die mehreren Feststoffmediumblöcke erstreckt und in jedem oder in einem Teil der Feststoffmediumblöcke mindestens ein zweiter Schacht angeordnet ist, der sich quer zu der axialen Richtung erstreckt und jeweils mit dem ersten Schacht verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann der erste Schacht, der sich in axialer Richtung erstreckt, in vorteilhafter Weise für einen Wärmeaustausch und Fluidtransport genutzt werden und die zweiten Schächte beispielsweise für einen Strahlungs- und Fluidtransport.

Jeder der Feststoffmediumblöcke kann eine Zentriereinrichtung zum Ausrichten des entsprechenden Feststoffmediumblocks zu einem benachbarten Feststoffmediumblock aufweisen. Die Zentriereinrichtung sorgt dafür, dass die Feststoffmediumblöcke beim Stapeln zueinander ausgerichtet werden, sodass beispielsweise der in den Feststoffmediumblöcken gebildete erste Schacht entsprechend ausgerichtet ist.

Die Zentriereinrichtung kann beispielsweise einen Vorsprung bilden, der an einer Aussparung in einen benachbarten Feststoffmediumblock angepasst ist und zur Ausrichtung mit einem benachbarten Feststoffmediumblock in die Aussparung eingreift. Die Zentriereinrichtung kann beispielsweise mindestens einen Zapfen bilden, der in ein entsprechendes Loch eines benachbarten Feststoffmediumblocks eingreift. Auch besteht die Möglichkeit, dass eine den ersten Schacht bildende Öffnung in einem Feststoffmediumblock durch einen vorstehenden Kragen umgeben ist, der in eine entsprechende Aussparung des benachbarten Feststoffmediumblocks eingreift. Selbstverständlich kann die Zentriereinrichtung auch mehrere Vorsprünge aufweisen, die in entsprechende Aussparungen in einem benachbarten Feststoffmediumblock eingreifen.

Es kann vorgesehen sein, dass mehrere Feststoffmediumblöcke über eine Verbindungsvorrichtung aneinander befestigt sind. Beispielsweise kann dies über eine Verschraubung erfolgen. Durch die Verbindungsvorrichtung wird für eine ausreichende Stabilität der Reaktionsvorrichtung gesorgt. Die Verbindungsvorrichtung kann auch einen oder mehrere Stäbe aufweisen, die durch Aussparungen in den Feststoff medium blocken geschoben wird, um die Feststoffmediumblöcken zu verbinden.

Die Feststoffmediumblöcke können identische oder unterschiedliche Formen aufweisen. Der Stapel der Feststoffmediumblöcke ist somit flexibel gestaltbar und beispielsweise in vorteilhafter Weise an ein thermochemisches Reaktorsystem anpassbar. Beispielsweise kann die Anordnung von Feststoffmediumblöcken an eine Erwärmungskammer des thermochemischen Reaktorsystems angepasst sein und insbesondere an eine Wärme- bzw. Strahlungsverteilung in der Erwärmungskammer. Auch kann die Anordnung der Feststoffmediumblöcke an einen Reaktor, beispielsweise an die Strömung von Reaktionsfluid in dem Reaktor, anpassbar sein.

Die Feststoffmediumblöcke können jeweils eine kreiszylindrische oder eine zylindrische Form mit polygonalem Querschnitt aufweisen. Derartige Formen eignen sich insbesondere für das Stapeln mehrere Feststoffmediumblöcke aufeinander.

Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Feststoffmediumblock oder die Feststoffmediumblöcke im 3D-Druckverfahren hergestellt sind. Auf diese Weise können in vorteilhafter Weise beliebige Formen der Feststoff medium blocke geschaffen werden.

Der mindestens eine Feststoffmediumblock oder die Feststoffmediumblöcke können aus einem porösen monolithischen Material bestehen. Das Material kann beispielsweise schwammförmig ausgebildet sein oder eine Gerüststruktur aufweisen. Dabei kann die Porengröße beispielsweise maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 2 mm betragen. Grundsätzlich können Poren in Material auch kanalförmig ausgebildet sein, wobei derartige Poren beispielsweise einen engsten Querschnitt mit einem maximalen Durchmesser von 5 mm, vorzugsweise 2 mm aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass in die Poren eindringende Strahlung in vorteilhafter Weise absorbiert werden kann und gleichzeitig eine große Oberfläche zum Gasraum hin vorhanden ist, die den Austausch zwischen Gasphase und Feststoffmediumblock begünstigt.

Beispielsweise können der mindestens eine Feststoffmediumblock oder die Feststoffmediumblöcke aus CeOz, dotiertem CeOz, CuzO/CuO, MnsO MnzOs, COO/CO3O4, Ferriten (A _x Fe3-xO4) oder Perovskiten bestehen.

Derartige Materialien haben sich für thermochemische Kreisprozesse als besonders vorteilhaft herausgestellt.

Bei einer Ausführungsform mit mehreren Feststoffmediumblöcken kann vorgesehen sein, dass die Feststoffmediumblöcke aus unterschiedlichem Material bestehen. Mit anderen Worten, ein Feststoffmediumblock kann aus einem anderen Material bestehen als ein benachbarter Feststoffmediumblock. Der Stapel der Feststoffmediumblöcke ist somit flexibel gestaltbar und beispielsweise in vorteilhafter Weise an ein thermochemisches Reaktorsystem anpassbar. Beispielsweise kann die Materialwahl der Feststoffmediumblöcke an eine Erwärmungskammer des thermochemischen Reaktorsystems angepasst sein und insbesondere an eine Wärme- bzw. Strahlungsverteilung in der Erwärmungskammer. Auch kann die Materialwahl der Feststoffmediumblöcke an einen Reaktor, beispielsweise an die Strömung von Reaktionsfluid in dem Reaktor, anpassbar sein.

Die Erfindung kann auch vorsehen, dass die Sockeleinrichtung aus dem gleichen Material wie der mindestens eine Feststoffmediumblock oder einer der Feststoffmediumblöcke besteht. Beispielsweise kann die Sockeleinrichtung auch stoffschlüssig mit dem mindestens einen Feststoffmediumblock oder einem der Feststoffmediumblöcke verbunden sein.

Die Erfindung betrifft ferner ein thermochemisches Reaktorsystem mit einer Erwärmungskammer und mindestens einem Reaktor und mit mindestens einer erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung, wobei die mindestens eine Reaktionsvorrichtung in der Erwärmungskammer erwärmbar und in dem Reaktor eine thermochemische Reaktion mit einem Reaktionsfluid zuführbar ist.

Das erfindungsgemäße thermochemische Reaktorsystem kann in vorteilhafter Weise einen thermochemischen Kreisprozess, beispielsweise einen Redoxkreisprozess durchführen.

Beispielsweise kann der Feststoffmediumblock oder die Feststoffmediumblöcke der erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung aus einem Redoxmaterial bestehen.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Detaildarstellung eines Feststoffmediumblocks einer erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen thermochemischen Reaktorsystems.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung 1 für ein thermochemisches Reaktorsystem 100 schematisch dargestellt.

Die Reaktionsvorrichtung 1 besteht aus einer Sockeleinrichtung 3 und mehreren Feststoffmediumblöcken 5. Die Feststoffmediumblöcke 5 sind auf die Sockeleinrichtung 3 gestapelt. Die Feststoffmediumblöcke 5 weisen eine kreiszylindrische Form auf, sodass das Stapeln in vorteilhafter Weise erfolgen kann. Die Feststoffmediumblöcke 5 erstrecken sich entlang einer axialen Richtung.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich ist, in der ein Feststoffmediumblock 5 schematisch dargestellt ist, weisen die Feststoffmediumblöcke 5 eine Mittelöffnung auf, die durch ein Aneinanderreihung der Feststoffmediumblöcke 5 einen ersten Schacht 7 bilden. In einer Richtung quer zu der axialen Richtung weisen die Feststoffmediumblöcke 5 jeweils mehrere zweite Schächte 9 auf, die auf der Mantelfläche der Feststoffmediumblöcke 5 eine Eingangsöffnung 9a bilden und die in den ersten Schacht 7 münden. Somit weisen die zweiten Schächte 9 eine Ausgangsöffnung zu dem ersten Schacht 7 hin auf. Durch den ersten Schacht 7 und die zweiten Schächte 9 wird erreicht, dass einerseits bei der Erwärmung der Feststoffmediumblöcke 5 die Wärmeenergie in vorteilhafter Weise in das Innere der Feststoffmediumblöcke 5 getragen werden kann und darüber hinaus die Feststoffmediumblöcke 5 bei einer thermochemischen Reaktion in vorteilhafter Weise mit einem Reaktionsfluid durchströmt werden können.

Beispielsweise bei einer Erwärmung der Feststoff medium blocke 5 mittels konzentrierter Solarstrahlung kann auf die zweiten Schächte 9 gestrahlte Solarstrahlung in vorteilhafter Weise bis in das Innere der Feststoffmediumblöcke 5 gelangen. Auch bei einer Erwärmung mittels Wärmestrahlung ist ein derartiger Strahlungstransport in vorteilhafter Weise möglich.

Durch den ersten Schacht 7 kann in vorteilhafter Weise Wärme über ein Umgebungsfluid transportiert werden, sodass eine relativ gleichmäßige Erwärmung der Feststoffmediumblöcke 5 erreicht werden kann.

Ferner kann bei einer thermochemischen Reaktion ein Reaktionsfluid in vorteilhafter Weise die Feststoffmediumblöcke 5 durchströmen, indem beispielsweise das Reaktionsfluid durch die Eingangsöffnung 9a der zweiten Schächte 9 in das Innere strömt und anschließend entlang des ersten Schachtes 7.

Die Feststoffmedi um blocke 5 können ferner eine Zentriereinrichtung 11 aufweisen. Die Zentriereinrichtung 11 kann beispielsweise aus Vorsprüngen 13 bestehen, die in entsprechende Aussparungen 15 eines benachbarten Feststoffmediumblocks 5 eingreifen.

Auch kann die Zentriereinrichtung 11 beispielsweise einen vorstehenden Rand um die Mittelöffnung aufweisen, der in eine entsprechende Ringaussparung in dem benachbarten Feststoffmediumblock 5 zum Zentrieren der Feststoffmediumblöcke 5 zueinander eingreift. Darüber hinaus können benachbarte Feststoffmediumblöcke 5 durch nicht dargestellte Verbindungsvorrichtungen aneinander befestigt werden, beispielsweise verschraubt.

Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung 1 stabil ausgestaltet werden.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes thermochemisches Reaktorsystem 100 schematisch dargestellt.

Das Reaktorsystem 100 weist eine Erwärmungskammer 102 auf, die mittels konzentrierter Solarstrahlung erwärmbar ist. Die konzentrierte Solarstrahlung kann mittels Strahlungsöffnungen 104 in die Erwärmungskammer 102 gelangen.

An der Erwärmungskammer 102 sind mehrere Reaktoren 106 angeordnet. In den Reaktoren 106 sind die erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtungen 1 angeordnet. Mittels Transportvorrichtungen 108 sind die einzelnen Reaktionsvorrichtungen 1 in die Erwärmungskammer 102 transportierbar, indem die Transportvorrichtungen 108 die Reaktionsvorrichtungen 1 anheben, sodass die Feststoffmediumblöcke 5 der Reaktionsvorrichtung 1 sich in der Erwärmungskammer 102 befinden und in dieser erwärmt werden können.

Nach dem Erwärmen der Reaktionsvorrichtungen 1 können diese mittels der Transportvorrichtung 108 abgesenkt werden, sodass sich diese in dem Reaktor 106 befinden. In dem Reaktor 106 kann dann eine thermochemische Reaktion mit einem Reaktionsfluid durchgeführt werden.

Die Feststoffmediumblöcke 5 können beispielsweise im 3D-Druckverfahren hergestellt werden.

Beispielsweise können die Feststoffmediumblöcke 5 aus einem porösen monolithischen Material bestehen. Ein poröses monolithisches Material hat den Vorteil, dass dieses eine besonders große Oberfläche bildet und eine Reaktion mit einem Reaktionsfluid in besonders vorteilhafter Weise erfolgen kann. Bezugszeichenliste

Reaktionsvorrichtung Sockeleinrichtung Feststoffmedium block erster Schacht zweiter Schacht a Eingangsöffnung 1 Zentriereinrichtung3 Vorsprung 5 Aussparung 00 Reaktorsystem 02 Erwärmungskammer04 Strahlungsöffnung06 Reaktor 08 Transportvorrichtung