Thermochemische Energiespeicherung, um Monate später Gen3-Solarenergie bereitzustellen

Gepostet am 1. Juni 20231. Juni 2023AutorinSusan Kraemer

Im Vergleich zu den Kosten der Gen3-CSP-Anlage selbst erhöhte die Hinzufügung der thermochemischen Speicherung und des Wasserstoffproduktionsreaktors die Anlagenkosten kaum, brachte aber durch die deutlich längere Speicherdauer einen deutlich höheren Mehrwert.

Einfachheit bedeutet in der Regel niedrige Kosten. Die Entwickler eines multitechnologischen thermochemischen Energiespeichersystems für konzentrierende Solarenergie (CSP) der 3. Generation behaupten jedoch, dass ihr komplexes Design die Kosten senken würde, da die Bereitstellung von Solarenergie nicht nur innerhalb von ein oder zwei Tagen wie heute, sondern wann immer nötig möglich sei. Wochen und Monate später.

Dieses duale thermochemische Energiespeichersystem würde mit der fortschrittlichen CSP-Pilotanlage kombiniert, die Sandia als Gewinner des Gen3 CSP-Preises des US-Energieministeriums in seinem Heliostat-Testzentrum in New Mexico baut.

Sandias Gen3-Pilotprojekt, das kürzlich den Grundstein gelegt hat, umfasst einen frei fallenden Partikelempfänger, der einen Hochtemperatur-Partikelspeicher speist. Diese sandähnlichen Partikel erhitzen überkritisches CO2, ein hocheffizientes Arbeitsmedium, das in einem geschlossenen Brayton-Kreislauf läuft.

Um auch nach Einbruch der Dunkelheit liefern zu können, speichern heutige kommerzielle Solarkraftwerke Solarenergie in geschmolzenem Salz. Sandias Gen3-Pilot nutzt stattdessen Partikel, die für eine höhere Effizienz auch bei viel höheren Temperaturen stabil bleiben. Dieser liefert Solarenergie aus thermischen Speichern, typischerweise für 8 oder 10 Stunden.

Doch eine neue Studie der Arizona State University (ASU), an der Prof. Ellen Stechel rigorose Forschungen zum solaren thermochemischen Potenzial leitet, zeigte, dass die Stromgestehungskosten durch die Hinzufügung zweier thermochemischer Redoxzyklen gesenkt werden könnten, die dann an jedem beliebigen Tag Energie liefern können nötig, auch Monate später.

„Das Neue an unserem System besteht darin, dass wir drei Speicherebenen vorschlagen, um eine ganzjährige Garantie der Versandfähigkeit zu gewährleisten“, erklärte Alberto de la Calle, stellvertretender Forschungswissenschaftler der ASU.

De la Calle enthüllte die Umrisse des neuartigen Konzepts in einer Präsentation und einer abstrakten technologisch-ökonomischen Analyse eines Hochtemperatur-Konzentrations-Solarkraftwerks mit einem mehrstufigen Speichersystem für eine ganzjährig garantierte Lieferfähigkeit auf der jüngsten SolarPACES-Konferenz.

Die Idee besteht darin, der täglichen Entladung zwei weitere Ebenen der thermischen Energiespeicherung hinzuzufügen, eine, um dies bis zu einer Woche später zu tun, und eine, um Energie an jedem benötigten Tag, auch in Monaten darüber hinaus, bereitzustellen. Für alle drei Technologien würden unterschiedliche Methoden zur Speicherung und Freisetzung von Energie verwendet. Und anstatt sich auf eine Wärmezufuhr für jeden Typ zu verlassen, gibt es mehrere Lademöglichkeiten.

Während die tägliche Stromlieferung wie bei der heutigen kommerziellen CSP über gespeicherte Wärme erfolgen würde, verfolgen die Forscher einen einzigartigen Ansatz zum Laden wöchentlicher und saisonaler Wärmeenergiespeicher.

Die beiden zusätzlichen Systeme basieren auf einem synergistischen Paar thermochemischer Kreisläufe, einem zur langfristigen chemischen Speicherung von Wärme und einem zur Erzeugung von Wasserstoff.

Schematische Darstellung der thermochemischen Energiespeicherung IMAGE@Technoökonomische Analyse eines Hochtemperatur-Solarkraftwerks mit einem mehrstufigen Speichersystem für eine ganzjährig garantierte Lieferfähigkeit

Vorhandener Tagesspeicher (Stufe 1) im Sandia Gen3 CSP. Partikel speichern „fühlbare“ Wärme (die Wärme, die Sie spüren können): Die heißen Partikel im Gen3-Wärmespeichertank werden durch den konzentrierten Sonnenfluss von Sandias Testfeld mit Solarheliostaten erhitzt, während sie durch den Receiver fallen. Die Wärme wird auf überkritisches Kohlendioxid übertragen, um eine S-CO2-Turbine zur Stromerzeugung anzutreiben. Der Partikelspeichertank ist so dimensioniert, dass er einen Tagesvorrat aufnehmen kann.

Für wöchentliche Lagerung (Stufe 2): Lagerung in thermochemischer Wärme hinzufügen:Ein kontinuierlich zyklischer thermochemischer Prozess würde in einem zweistufigen Redoxzyklus Wärme erzeugen, indem ein Metalloxid mit Wärme thermisch reduziert (Laden) und an der Luft oxidiert (Entladen) wird.

„Eines der Ziele dieses Projekts besteht darin, herauszufinden, welches Metalloxid für diesen Prozess am besten geeignet ist. Wir haben mit der Erprobung von CaAl0,2Mn0,8O3 begonnen, einem Perowskit, der bereits in solchen Zyklen verwendet wurde“, sagte de la Calle .

Dieser Zick-Zack-Strömungsreaktor zur thermochemischen Energiespeicherung hätte drei optionale Lademodi. Der Betrieb könnte mit Wärme aus dem Wärmespeicher und Strom außerhalb der Spitzenzeiten, nur mit Strom außerhalb der Spitzenzeiten (wenn der Preis niedrig ist) oder durch chemische Reduktion mit vor Ort erzeugtem Wasserstoff betrieben werden.

„Diese Speicherung erfolgt auch in Partikeln. Allerdings sind diese Partikel chemisch nicht inert“, erklärte er. „Wenn sie in einer sauerstoffarmen Umgebung auf bis zu 1000 °C erhitzt werden, reagieren sie, indem sie Sauerstoff aus ihrem Gitter freisetzen. Sie werden in einem Tank gelagert. Wenn dieser Speicher genutzt werden muss, werden die Partikel mit Sauerstoff vermischt. Eine zweite Reaktion, re Anschließend findet eine Oxidation statt, die Wärme freisetzt. Dieser Speicher hätte eine ähnliche Kapazität wie der Gen3-Speicher, allerdings ist die Energiedichte höher und die Speicherzeit länger – in der Größenordnung einer Woche.“

Um die in diesem reduzierten Metalloxid gespeicherte Wärme zurückzugewinnen, wurde ein spezieller Wärmetauscher von Partikeln zu s-CO2 entwickelt, in dem die Reoxidationsreaktion stattfinden würde.

Für saisonale Speicherung (Stufe 3): Fügen Sie einen Wasserstoffreaktor hinzu:Wasserstoff würde vor Ort im Labyrinthreaktor der ASU erzeugt werden, einem thermochemischen Design der nächsten Generation, das auf der SolarPACES-Konferenz zur Spaltung von Wasser und Kohlendioxid vorgestellt wurde und mit Netzstrom außerhalb der Spitzenzeiten betrieben wird.

„In diesem Reaktor liegt die Reduktionsreaktion bei etwa 1500 °C und die Reoxidationsreaktion, wenn wir Ceroxid als Metalloxid verwenden, bei etwa 1000 °C“, sagte De la Calle.

„Der Unterschied zur Level-2-Speicherung besteht darin, dass hier die Reoxidation mit Wasser (Dampf) erfolgt. Das reduzierte Metalloxid ist in Gegenwart von Wasser in der Lage, Wasserstoff freizusetzen, indem es dem Wassermolekül den Sauerstoff entzieht.“

Sobald der Wasserstoff in diesem Reaktor erzeugt wird, wird er in einem Behälter gespeichert, bis er für die Reduktionsreaktion im thermochemischen Speicher der Stufe 2 benötigt wird – und schließlich über den S-CO2-Zyklus-Kraftblock ins Netz eingespeist. Dieser Wasserstoff kann auch als Ware ins Netz eingespeist werden.

Die gegenläufige Konfiguration der beiden thermochemischen Reaktionen maximiert die chemische Potenzialausnutzung des als Redoxmaterial verwendeten Metalloxids.

Ergebnisse: Die Nettoeinnahmen aus der Erzeugung aus der thermochemischen Speicherung der Stufe 3 sind am höchsten. IMAGE@Technoökonomische Analyse eines Hochtemperatur-Konzentrations-Solarkraftwerks mit einem mehrstufigen Speichersystem für eine ganzjährig garantierte Lieferfähigkeit

Dieses Team zeigte, dass ihr System das ganze Jahr über, im Sommer wie im Winter, jeden Tag mindestens 8 Stunden Solarstrom produzieren kann, unabhängig von den täglichen Sonnenstunden.

„Dieses System bietet eine einzigartige Flexibilität, bei der wir Strom kaufen und verkaufen können, wenn es am bequemsten ist, und Wasserstoff als Ware verkaufen können, um die Betriebs- und Kapitalkosten auszugleichen. Allein die Wasserstoffeinnahmen, abzüglich der Stromkosten außerhalb der Spitzenzeiten, kompensieren die Investitionskosten, " er erklärte.

Im Vergleich zu den Kosten der Gen3-CSP-Anlage selbst führten die Hinzufügung der thermochemischen Speicherung und des Wasserstoffproduktionsreaktors kaum zu einer Erhöhung der Anlagenkosten, führten jedoch zu einer deutlich höheren Wertschöpfung durch eine deutlich längere Speicherdauer.

Im Vergleich zu den Kosten der Gen3-CSP-Anlage selbst führten die Hinzufügung der thermochemischen Speicherung und des Wasserstoffproduktionsreaktors kaum zu einer Erhöhung der Anlagenkosten, führten jedoch zu einer deutlich höheren Wertschöpfung durch eine deutlich längere Speicherdauer.

„Um unser mehrstufiges Speichersystem mit einem Referenzfall zu vergleichen, um zu sehen, ob unser System besser oder schlechter ist, haben wir die Stromgestehungskosten der CSP-Anlage nur mit Tagesspeicherung berechnet, mit unterschiedlichen Solarmultiplikatoren und unterschiedlichen Speicherkapazitäten als Basis. Und nicht nur das.“ Wir reduzieren die Stromgestehungskosten des Systems, garantieren aber auch eine ganzjährige Versandfähigkeit.“ sagte de la Calle. „Wir haben festgestellt, dass die Stromgestehungskosten unseres dreistufigen Systems 16 % unter dem Ausgangswert liegen.“

Der Schlüssel zu dieser Senkung der Stromgestehungskosten waren die relativ geringen Zusatzkosten für die Hinzufügung der beiden thermochemischen Speichersysteme (Stufe 1 und 2), die den wertvolleren wöchentlichen und saisonalen Speicher lieferten.

Mehr Lektüre:„Entwicklung und Erprobung des Zigzag-Flow-Reaktors zur thermochemischen Energiespeicherung“ Rhushikesh Ghotkar, SolarPACES-Konferenz 2022

„Entwicklung und Test des thermochemischen Labyrinthreaktors zur Wasser-/CO2-Spaltung an der ASU“ Ivan Ermanoski, SolarPACES-Konferenz 2022

Bewertung alternativer Designs für einen Hochtemperatur-Partikel-zu-sCO2-Wärmetauscher C.Ho et al., Journal of Solar Engineering, 2019

Thermodynamische Analyse eines reaktiven Partikel-zu-sCO2-Wärmetauschers zur Rückgewinnung gespeicherter thermochemischer Energie s-CO2 Europa-Konferenzbericht, 2023

Forscher reduzieren Unterbrechungen bei der solaren thermochemischen Wasserstoffproduktion

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KategorienCSP-Nachrichten und -Analysen