Τεχνολογία σωματιδίων για εφαρμογές ηλιακής θερμοχημικής αποθήκευσης ενέργειας
Authors: Σακελλαρίου Κυριακή 
Published: September 2021

Τα Συγκεντρωμένα Ηλιακά (CSP) έχουν μελετηθεί κατά τις τελευταίες δεκαετίες ως λύση για την εξισορρόπηση του ισοζυγίου προσφοράς και ζήτησης ενέργειας. Η αμφισβητούμενη αποτελεσματικότητα της CSP τεχνολογίας λόγω της διαλείπουσας φύσης της ηλιακής ενέργειας μπορεί να βελτιωθεί με τη χρήση συστημάτων αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διατριβή εξετάζονται συστήματα θερμο-χημικής αποθήκευσης (TCS) με βάση σωματίδια οξειδίου του ασβεστίου (CaO) για τις αντιδράσεις CaO/Ca(OH)2 και CaO/CaCO3.Το υλικό σε αυτές τις εφαρμογές είναι θεμελιώδους σημασίας επιδιώκοντας αποτελεσματική απόδοση μακροπρόθεσμα. Παρά την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα του CaO, η πολυ-κυκλική λειτουργία προκαλεί σοβαρά προβλήματα σχετικά με τη θερμομηχανική σταθερότητα και χημική απενεργοποίηση για τις αντιδράσεις ενυδάτωσης/αφυδάτωσης και ενανθράκωσης/πύρωσης, αντίστοιχα, καθιστώντας το καθαρό CaO ανεπαρκές. Για τον καθορισμό κατάλληλων υλικών με επαρκή δραστικότητα και σταθερή συμπεριφορά, η χρήση διαφόρων πρόσθετων είναι απαραίτητη. Οι κύριες προσεγγίσεις που προτείνονται περιλαμβάνουν την τροποποίηση των σωματιδίων CaO με ανόργανες ενώσεις χρησιμοποιώντας απλές τεχνικές. Η αξιολόγηση των προσθέτων βασίζεται στην εξέταση σημαντικών παραγόντων κατά την προετοιμασία του υλικού και της επίδρασής τους στην TCS ικανότητα. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω προκαταρκτικής αξιολόγησης της TCS απόδοσης με τη βοήθεια της θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης και του λεπτομερούς φυσικοχημικού χαρακτηρισμού των υλικών. Τα αποτελέσματα παρέχουν σαφή εικόνα για τη συμπεριφορά των υλικών προσδιορίζοντας τα πιο κατάλληλα, τα οποία χρησιμοποιούνται για την παρασκευή οργανωμένων δομών (σύνθετες πελέτες, μονολιθικές δομές). Η αξιολόγηση των δομών σε πολυ-κυκλική λειτουργία αποδεικνύει περαιτέρω την επάρκειά τους ως συστήματα TCS.Για την αντίδραση CaO/Ca(OH)2, η ανάπτυξη σύνθετων σφαιρικών πελετών με τον καολίνη ως πρόσθετο παρουσιάζεται ως η βέλτιστη λύση για την απόκτηση ενός υλικού ικανού να αντέχει στο σοβαρό θρυμματισμό κατά την πολυ-κυκλική λειτουργία διατηρώντας επαρκή δραστικότητα. Πειραματικά αποτελέσματα σε εργαστηριακή σταθερή κλίνη και σε πιλοτικό αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης αποτελούν απόδειξη της ιδέας για την αξιοποίησή του ως σύστημα TCS αποκαλύπτοντας τις μεγάλες δυνατότητές του. Στην αντίδραση CaO/CaCO3, η παρασκευή συνθετικών υλικών με βάση το CaO χρησιμοποιώντας Αl2Ο3 ως πρόσθετο οδηγεί σε υλικά με περιορισμένη χημική απενεργοποίηση και υψηλή ανθεκτικότητα στην πυροσυσσωμάτωση. Ένα επιλεγμένο υλικό χρησιμοποιείται για την επικάλυψη ενός μονολιθικού αντιδραστήρα που υποβάλλεται σε πολυ-κυκλική λειτουργία σε μια ειδική μονάδα και συγκρίνεται με το καθαρό CaO. Η βελτιωμένη απόδοση του τροποποιημένου υλικού, καθώς και η θετική απαγωγή θερμότητας αντανακλούν την καταλληλότητα της προσέγγισης. Για τη βελτίωση της απόδοσης της διεργασίας για την τελευταία αντίδραση, η χρήση του ατμού διερευνάται τόσο ως μέσο για την αναγέννηση του καθαρού CaO μέσω της περιοδικής ενυδάτωσης όσο και ως μέσο της αντίδρασης πύρωσης σε ροή πλούσια σε CO2.Δύο προσεγγίσεις για την ανάπτυξη υλικών TCS συστημάτων με βάση σωματίδια CaO παρουσιάζονται ως κατάλληλες επιλογές για τις αντιδράσεις CaO/Ca(OH)2 και CaO/CaCO3. Σημειώνεται σημαντική πρόοδος και τα υλικά με επαρκή ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας και σταθερές επιδόσεις δοκιμάζονται σε εργαστηριακή ή/και ημι-πιλοτική κλίμακα. Παρά την ευεργετική επίδραση στα εξετασθέντα TCS συστήματα, απαιτείται βελτιστοποίηση στο επίπεδο του υλικού και παραγωγή σε μεγαλύτερη κλίμακα, για την ωριμότητα της τεχνολογίας. Η αναγκαιότητα αξιολόγησης σε πειραματική μονάδα με αντιδραστήρες σε ηλιακό πεδίο είναι υποχρεωτική για τα επόμενα βήματα έρευνας, καθώς θα επιτρέψει την άμεση εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας.