Thermochemical heat storage (TCS) is a technology to convert the heat and cold energy into chemical energy, via reversible chemical reactions, to be stored for heating and cooling applications. TCS technology is gaining interest for its very compact energy storage densities offering attractive thermal energy storage (TES) alternatives to decrease energy-related greenhouse gas(GHG) emissions and contribute to sustainable development.  This thesis is part of the umbrella project “Neutrons for Heat Storage (NHS)”, funded by Nordforsk. The objective of the NHS project at KTH is to design, construct and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2)-ammonia (NH3) as the solid-gas reaction pair for low-temperature heat storage applications (40-80 ℃). This system has been thus numerically designed, adapted to practical considerations, and is now being built at Energy Technology, KTH.  Within this background, this thesis, as its primary objective, designs a calculation tool for evaluating the experimental performance of the above described bench-scale TCS system. A thorough explanation of the thesis methodology is presented here, including preparing the composites (SrCl2 impregnated into expanded natural graphite), the system’s risk analysis, and the critical focus is on the systems’ performance evaluation parameters, and the mathematical design of the calculation tool. A review of relevant literature is also conducted to identify the most pertinent performance evaluation parameters of this TCS system. For the consideration of user-friendliness, simplicity, and effectiveness, the calculation tool is designed using Ms. Excel. Here, energy efficiency, reaction advancement, reaction advancement rate, the real thermal energy density per mass, and actual thermal energy density per volume are chosen as the parameters to best-represent the system’s performance (i.e., Key Performance Indicators (KPIs)), calculated based on mass balance and energy balance expressions, primarily. Using this calculation tool, concerning this experimental bench-scale system, the user can visualize the obtained experimental data, calculate the defined KPIs of the system, and seek the potential to improve the current system.  A group of test data is assumed (consulting the reaction equilibrium curve, thus ensuring that they fall within realistic experimental conditions) to check the calculation tool's accuracy and function. For the lack of experimental data, the results of the test data are not ideal. However, thanks to these assumed test data, it is proven that the calculation tool functions correctly. The calculation process can be finished in several minutes, saving a lot of time otherwise required for the data analysis after the experiments. It also functions as the test model to analyze the experimental data.  In conclusion, this project designed and presents a functioning calculation tool to evaluate the experimental performance of a bench-scale experimental TCS system (being built and commissioned at KTH) for the reaction between SrCl2 and NH3. Some suggestions related to future improvements are proposed as well. For instance, the calculation tool is not automatic enough because it involves manual operation at specific points. Therefore, one of the future tasks is to add the ability to identify the reaction pressure vs temperature curve against the equilibrium conditions and defining whether the process is absorption or desorption automatically. Besides, currently, much electrical equipment is employed in the system, which decreases the system's sustainability, whereas, in future work, the layout of the system can be improved. The system's exergy performance is not analyzed in the thesis report, which can be chosen as another future task. / Termokemisk energilagring (TCS) är en teknik som omvandlar värme och kyla till kemisk energi via reversibla kemiska reaktioner, som ska lagras för uppvärmning och kylning. Intresset för TCS-teknik ökar idag för sin mycket kompakta energilagringstäthet som erbjuder ett attraktivt alternativ för termiskenergilagring (TES) för att minska energirelaterade växthusgasutsläpp (GHG) och bidra till hållbar utveckling.  Denna avhandling är en del av paraplyprojektet ”neutroner för värmelagring (NHS)”, finansierat av Nordforsk. Målet med NHS-projektet vid KTH är att designa, konstruera och driva ett TCS-system i bänksala med strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3) som reaktionspar för fast-gas reaktion för värmelagringsapplikationer vid låg temperatur (40-80℃). Detta system har därmed numeriskt utformats och anpassats till praktiska användningsområden och byggs nu på institutionen för Energiteknik på KTH.  Med denna bakgrund utformar detta projekt som sitt primära mål, ett beräkningsverktyg för att utvärdera den experimentella prestandan för det ovan beskrivna TCS-systemet i bänkskala. En grundlig förklaring av metoden presenteras här, inklusive förberedning av kompositerna (SrCl2 impregnerat i en expanderad naturlig grafit) samt systemets riskanalys. Kritiskt fokus ligger på systemens prestandaparametrar och den matematiska utformningen av beräkningsverktyget. En genomgång av relevant litteratur genomfördes också för att identifiera de mest relevanta parametrarna. Med hänsyn till användarvänlighet, enkelhet och effektivitet, är beräkningsverktyget utformat med hjälp av Excel. Här väljs energieffektivitet, reaktionsprogression, förändring av reaktionsprogression, den verkliga termiska energidensiteten per massa och praktisk termisk energitäthet per volym som parametrar för att bäst representera systemets prestanda (dvs Key Performance Indicators (KPIs)). Dessa KPIs beräknades främst baserat på massbalans och energibalansuttryck. Med hjälp av detta beräkningsverktyg för detta TCS-systemet på bänkskala kan användaren visualisera den erhållna experimentella datan, beräkna de definierade KPI:erna för systemet och hitta potentialen att förbättra det nuvarande systemet.  En mängd testdata antogs (genom att hänvisa till reaktionens jämviktskurva, vilket säkerställer att de faller inom realistiska experimentförhållanden) för att kontrollera beräkningsverktygets noggrannhet och funktion. På grund av avsaknaden av experimentella data är resultaten av testdata inte optimala. Men med hjälp av den antagna testdatan är det bevisat att beräkningsverktyget fungerar korrekt. Beräkningen kan avslutas efter några minuter, vilket sparar mycket tid som annars krävs för dataanalysen efter experimenten. Det fungerar också som en testmodell för att analysera experimentdata.  Sammanfattningsvis utformade och presenterade detta projekt ett fungerande beräkningsverktyg för att utvärdera experimentella prestanda för ett experimentellt TCS-system på bänkskala (byggs och tas i drift vid KTH) för reaktionen mellan SrCl2 och NH3. Några förslag relaterade till framtida förbättringar föreslås också. Beräkningsverktyget är till exempel inte helt automatiserat eftersom det behöver manuell inmatning vid specifika punkter. Därför är en av de framtida uppgifterna att lägga till förmågan att identifiera reaktionstrycket mot temperaturkurvan i förhållande till jämvikten och att definiera om processen är absorption eller desorption automatiskt. För närvarande används mycket elektrisk utrustning i systemet vilket minskar systemets hållbarhet, medan systemet i framtiden kan förbättras. Systemets exergiprestanda analyseras inte i rapporten, vilket kan lämnas för framtida arbete.

One of the most crucial issues nowadays is the protection of the environment and the replacement of fossil fuels, which are abundantly used around the world, with more efficient and renewable sources. The highest portion of global energy demands today is used in heating and cooling purposes. One way of alleviating the fossil-based thermal energy uses is to harvest excess thermal energy using thermochemical storage materials (TCMs) for use at heating/cooling demands at different times and locations. Along this, in this master’s thesis, a bench-scale thermochemical heat storage (TCS) system is numerically designed, as a part of a collaborative project: Neutrons for Heat Storage (NHS), funded by Nordforsk. The TCS system that is designed herein employs the reversible chemical reaction of ammonia with a metal halide (MeX) for a heat storage capacity of 0.5 kWh, respectively releasing and storing heat during absorption and desorption of ammonia into and from the MeX. This system is designed for low temperature heat applications, around 40-80 °C. SrCl2 is chosen as the metal halide to be used, based on the research outcomes in determining the most suitable materials conducted by NHS project partners. In the ammonia-SrCl2 system, only the absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3 are considered. The main reason is because absorption/desorption between the last ammine and SrCl2 undergoes at a significantly higher/lower reaction pressure (for a given temperature), with a significant volume change compared to the rest of the ammines, and therefore is practically less cost effective. This thesis also includes a detailed discussion of four different thermochemical storage designs from literature, found as the most relevant to the present TCS system study, which use the reaction between ammonia and metal halides. The first system that was examined is a TCS system built by the NHS project partners at Technical University of Denmark (DTU), owing to its similarities with the desired project, regarding the design and parameters the system uses. This system works in batch mode, only allowing either absorption (i.e. heat release) or desorption (i.e. heat storage) at a given cycle. Thus, upgrading the design of this TCS system at DTU is considered as a most-likely solution to the research objectives of this current thesis project. Moreover, the TCS system at DTU uses storage conditions and desorption temperature similar to the current project’s desired low temperature range of 40-80 °C. The second system discussed herein from literature uses two reactors for cold and heat generation, which means that both charging and discharging processes occur simultaneously. This simultaneous operability is the main reason that this particular system was examined in this thesis. The next discussed system from literature also uses two reactors, for absorption and desorption processes, which work reversibly when each process is completed, like in the desired concept of this project. These two systems (i.e., the secondly and the thirdly discussed systems) use the reversible solid-gas reaction for absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3, however, the conditions of pressure and temperature between them differ. The second system from literature operates at desorption and absorption at respective conditions of 96 °C, 15 bar and 87 °C, 11 bar while the third system discussed operates at 103 °C, 16 bar and 59 °C, 3 bar during desorption and absorption respectively. The last system from literature that is discussed herein provides the same desorption temperature of 80 °C. Inaddition this particular study suggests that the reaction of solid with gaseous NH3 is better (than the solid with liquid NH3 reaction) based on results derived from several different low-pressure experiments of the reactions. The main differences between all these discussed systems from literature, as opposed to the desired TCS system design in this thesis project, concern the systems’ operating mode and the pressure and temperature-conditions. The first difference is that only one of the examined systems pumps the solid VIII powder salt around the system in contrast to the others that keep the salt static inside the reactors and pumped only the ammonia around the system, as chosen in the current system. The second difference concerns the operating conditions during absorption and desorption reactions, where these different systems operate at a widely different pressure and temperature conditions as compared to the current system expectations. Thus, there are four main lessons that were learnt via this literature analysis, to improve the TCS system at DTU to the desired new system in this work. The first lesson is related to the reactants’ transportation mechanism that should be used in this system. Regarding this, it was decided to maintain the solid salt (metal halide) stationary inside each reactor (but not pumping it instead of ammonia), similar to the majority of designs discussed from literature. According to the second and third lessons, the solid-gas reaction is the most suitable solution and only the reactions of absorption and desorption between SrCl2∙NH3 and SrCl2∙8NH3 are considered, following the experience from literature (for the reasons explained earlier). The last lesson regards the system’s suitable operating conditions and more specifically the TCS system’s temperatures that should match the district heating temperatures. Thus, the temperature point that was chosen as a priority was 80 °C, from the range 40- 80 °C set in the partner project NHS. To maintain this condition, therefore, the most suitable condition of pressure of both reactions (according to the equilibrium pressure vs temperature curve) was chosen to be at around 8 bar. This same pressure was chosen for both reactions, since the pressure difference between these reactors and the storage of ammonia (i.e. from 8 to 10 bar) should be as small as possible due to the high costs that can arise in the case of a higher pressure difference (i.e. requiring more compressors and heat exchangers). Inspired by these literature cases, firstly a conceptually suitable TCS system was proposed in this project and after that the final desired system was designed and was implemented and evaluated numerically. The numerical design and optimization of the chosen TCS system was performed herein by using the software Aspen Plus (version 9), which contains both fluids and solids in a simulation environment, using consistent physical properties. This TCS system is designed to store and release heat at around 80 °C and 8 bar through absorption and desorption by using two identical reactors respectively. Each reactor includes the amount of around 1 kg (more specifically 0.985 kg) strontium chloride salt reacting with 1.7 kg of ammonia. A verification system is also modelled in Aspen, using available experimental data from literature. Here, the modelled novel system design was adapted to this chosen other system layout from literature which uses the same reaction pair, yet at different operating conditions. This adapted system design in Aspen was then used to verify the chosen configuration and the reliability of the constructed system for the NHS project. Good agreements between the modelled results in Aspen against the available experimental data of this verification model are obtained. A sensitivity analysis is also conducted herein on the proposed novel TCS system to identify the optimum operating conditions and the behaviour of the chosen most important parameters of the system. The designed system provides an energy storage capacity of 0.5 kWh for the specific amounts (in volumetric flow rates) of ammonia and monoammine of strontium chloride, that comes from the analysis, of 1.08696 e-05 kmol/s and 1.5528 e-06 kmol/s respectively. For these specific values of the HTF, the analysis showed that the volumetric flow rates of the heat and cold external sources must be 1.56 l/min (which is decreasing with the increase of the inlet HTF temperature) and 0.42 l/min (which is increasing with the increase of the inlet HTF temperature) respectively. In conclusion, this study presents an ammonia-SrCl2 TCS benchscale system design that allows continuous heat storage and release, in an easy-to-scale up design, also suggesting optimum operating conditions. / En av de mest avgörande frågorna i dag är skyddet av miljön och utfasningen av fossila bränslen som används allmänt över hela världen för mer effektiva och förnybara resurser. Den största delen av den globala energibehovet idag avser uppvärmnings- och kylapplikationer. Ett sätt att minska fossilbaserad termiskenergianvändning är att lagra överskottsvärmeenergi genom termokemiska lagringsmaterial (TCM) och använda den för värme- och kylbehov vid olika tidpunkter och platser. I samband med detta är ett termokemiskt värmelagringssystem numeriskt utformat i detta mastersexamensprojekt, som en del av ett samarbetsprojekt Neutrons for Heat Storage (NHS) finansierat av Nordforsk. Det termokemiska lagringssystemet (TCS) som är konstruerat utnyttjar den reversibla kemiska reaktionen av ammoniak med en metallhalogenid (MeX) för en värmelagringskapacitet på 0.5 kWh, och frigör och lagrar värme respektive under absorption och desorption av ammoniak till och från MeX. Systemet är designat för lågtemperaturuppvärmningstillämpningar runt 40-80 °C. SrCl2 väljs som det mest lämpliga metallhalogeniden för systemet, baserat på studier som utförts av NHS-projektpartnerna. I ammoniak SrCl2-systemet beaktas endast absorption och desorption mellan SrCl2NH3 och SrCl28NH3. De huvudsakliga orsakerna till detta är att absorptionen/desorptionen mellan den sista aminen och SrCl2 kräver ett betydligt högre/lägre reaktionstryck (för en given temperatur), och resulterar i en betydande volymförändring jämfört med resten av aminerna, och är därför praktiskt taget mindre kostnadseffektivt. Detta mastersexamensprojekt inkluderar en detaljerad genomgång av fyra olika TCS-system från litteratur som använder reaktionen mellan ammoniak och metallhalogenider. Dessa väljs här eftersom dessa anses vara de mest relevanta (från litteratur) jämfört med det valda systemet i denna studie. Det första undersökta systemet är ett system byggt av NHS-projektpartnerna vid Danmarks Tekniska Universitet (DTU). Detta har valts på grund av likheterna med det önskade systemet i det aktuella mastersexamensprojektet, vad gäller systemdesign och parametrar. Detta system fungerar i batch-läge, vilket endast tillåter antingen absorption (dvs värmeavgivning) eller desorption (dvs värmelagring) under en specifik cykel. Således kan en uppgraderad design av detta TCS-system vid DTU möjligen vara en lämplig lösning på forskningsmålen för detta mastersexamensprojekt. Dessutom använder detta TCS-system från DTU ganska liknande driftsförhållanden (temperaturer och tryck) i nivå med det aktuella projektets önskade lågtemperaturintervall på 40-80 °C. Det andra systemet från den litteratur som diskuterats använder två reaktorer för kyla och värmeproduktion, vilket innebär att både laddningsoch urladdningsprocesser sker samtidigt. Denna samtidiga operation är främst anledningen till att systemet undersöktes, eftersom detta är en önskad funktion att uppnå i det aktuella projektet. Nästa system från den litteratur som diskuteras häri använder också två reaktorer för absorptions- och desorptionsprocesser, som fungerar reversibelt när varje process är klar, precis som önskat i detta projekt. Dessa två system (dvs det andra och det tredje diskuterade systemen) använder den reversibla fastgasreaktionen för absorption och desorption mellan SrCl2NH3 och SrCl28NH3, dock vid olika tryck- och temperaturförhållanden. Det andra systemet arbetar nämligen under kombinationer av absorption och desorption av 96 °C, 15 bar och 87 °C, 11 bar, medan det tredje systemet arbetar vid 103 °C, 16 bar respektive 59 °C, 3 bar. Det sista systemet som diskuterats från litteraturen arbetar vid samma temperatur som det önskade systemet gör (dvs. 80 ° C) och genom olika lågtrycksexperiment visar att den fasta salt-gasreaktionen är ett bättre val än reaktionen av det fasta saltet med flytande gasreaktion. De viktigaste skillnaderna mellan alla dessa diskuterade system från litteratur i motsats till det önskade TCS-system i detta mastersexamensprojekt, avser systemdriftläge samt deras tryck och X temperaturförhållanden. Den första skillnaden är att endast ett av alla undersökta system pumpar saltet i fast pulverform, till skillnad från de andra som håller saltet stillastående i reaktorerna och endast pumpar ammoniak. Den andra skillnaden gäller driftsförhållandena under absorptions- och desorptionsreaktioner där dessa system arbetar vid mycket olika tryck- och temperaturförhållanden jämfört med det nuvarande systemet. Således, från översynen av alla system, finns det fyra huvudsakliga lärdomar för att förbättra TCS-systemet vid DTU till det önskade nya systemet. Den första är relaterad till reaktanttransportmekanismen som bör användas i detta system. I detta avseende har det beslutats att hålla det fasta saltet (metallhalogenid) stillastående i varje reaktor (men inte pumpa det istället för ammoniak), till skillnad från de flesta system i litteraturen. Enligt dem andra och tredje lektionerna är den fasta gasreaktionen den mest lämpliga lösningen och endast reaktionerna på absorption och desorption mellan SrCl2∙NH3 och SrCl2∙8NH3 bör övervägas enligt erfarenheten från litteraturen (av de skäl som förklarats tidigare). Den sista lärdomen avser systemets lämpliga driftsförhållanden och mer specifikt TCS-systemets temperaturer för att matcha fjärrvärmetemperaturerna. Den temperaturpunkten valts som prioritet, från området 40-80 °C inställt av moderprojektet NHS, sattes till 80 °C. För att bibehålla detta tillstånd var det lämpligaste tryckvillkoret för båda reaktionerna (enligt jämviktstrycket kontra temperaturkurva) valdes att ligga på cirka 8 bar. Samma tryck valdes för båda reaktionerna, eftersom tryckskillnaden mellan dessa reaktorer och lagring av ammoniak (dvs. från 8 till 10 bar) borde vara så liten som möjligt på grund av de höga kostnaderna som kan uppstå vid högre tryckskillnad (dvs. fler kompressorer krävs och värmeväxlare). Inspirerad av denna litteratur föreslogs för det första ett konceptuellt lämpligt TCS-system i detta mastersexamensprojekt, varefter det slutliga systemet implementerades och utvärderades numeriskt för de önskade förhållandena. Den numeriska utformningen och optimeringen av det valda TCS-systemet utfördes här med hjälp av programvaran Aspen Plus (version 9), som innehåller både vätskor och fasta ämnen i en simuleringsmiljö, med konstant fysiska egenskaper. Detta TCS-system är utformat för att lagra och släppa värme vid cirka 80 °C och 8 bar genom absorption och desorption med användning av två identiska reaktorer respektive. Varje reaktor innefattar cirka 1 kg (närmare bestämt 0.985 kg) strontiumkloridsalt reagerande med 1.7 kg ammoniak. Ett verifieringssystem modelleras också i Aspen med hjälp av tillgängliga experimentella data från litteraturen. I detta anpassades den modellerade nya systemdesignen till denna valda andra verifieringssystemlayout från litteratur, som använder samma reaktionspar, men under olika driftsförhållanden. Denna anpassade systemdesign i Aspen användes sedan för att verifiera den valda konfigurationen och tillförlitligheten för det designade systemet för NHS-projektet. Här erhålls ett bra avtal för denna verifieringssystemdesign mellan Aspenmodellresultaten och experimentdata. Här utförs också en känslighetsanalys för det utformade TCSsystemet i det aktuella projektet för att identifiera de optimala driftsförhållandena och beteendet för de valda viktigaste parametrarna i systemet. Det konstruerade systemet ger en energilagringskapacitet på 0.5 kWh för de specifika mängderna (i volymflöde) av ammoniak och monoamin av strontiumklorid, som kommer från analysen, av 1.08696 e-05 kmol/s och 1.5528 e-06 kmol/s respektive. För dessa specifika värden på värmeöverföringsvätskan visade analysen att de volymetriska flödeshastigheterna för värme och kalla yttre källor måste vara 1.56 l/min (vilket minskar när temperaturen på värmeöverföringsvätskan ökar) och 0.42 l/min (som ökar när temperaturen på värmeöverföringsvätskan ökar). Sammanfattningsvis presenterar denna studie ett ammoniak-SrCl2 TCS-bänkskålsystem som möjliggör kontinuerlig värmelagring och frigöring, har en design som är lätt att anpassa och föreslår också optimala driftsförhållanden.

NOx (NO, NO2) is one of the most harmful air-pollutants from exhaust, resulting in series of environmental problems as well as severe healthy issues for human beings. Selective catalytic reduction (SCR) system is a common approach to eliminate NOx onboard by using ammonia as a reductant. However, ammonia storage unit has been one of the restriction factors for the NOx conversion efficiency because of insufficient ammonia dosing rate and the corrosive and hazardous nature of ammonia. Thus, a reliable ammonia storage and delivery system is of high scientific and commercial desire. In this thesis, novel composites were fabricated and studied based on MgCl2 and SrCl2, two commercial alkaline earth metal halides (AEMH) for ammonia storage. In order to reduce the melting issue and enhance the kinetics of the ammonia sorption, carbon materials, graphite (Gt) and graphene nanoplatelets aggregates (GNA) were added to MgCl2 at 1 wt.%, 10 wt.% and 20 wt.%. With ball milling and hydraulic pressing, the aforementioned carbon-MgCl2 composites were structured into pellets for various characterization. With real-time recording in the tube furnace at 1073 K, we observed that with 20% carbon additives, the pelletized composites maintained their structure with 95% mass retention, while the pure MgCl2 completely melted and disintegrated. According to the SEM images, carbon materials separated MgCl2 so that the molten MgCl2 cannot form large droplet to spread out. Furthermore, the 20 wt.% GNA-80 wt.% MgCl2 (GNA20) composites demonstrated enhanced kinetics in both absorption and desorption of ammonia, which is 83% faster in ammonia absorption and 73% faster in desorption in the first two minutes compared to the pure MgCl2. The BET surface area and mercury intrusion porosimetry results explains the kinetic elevation by the GNA by introducing extra reaction surface and nanopores as the diffusion path for ammonia. The enhancement of both structural stabilityand kinetics make the GNA20 composite a robust ammonia carrier. During the chemical absorption process, SrCl2 uptakes 8 ammonia molecules resulting in 4 times volume expansion. This dramatic expansion and shrinkage during the absorption and desorption will destroy the structure and disintegrate the SrCl2 into powder, which could bring the dust explosion risk for many applications. Based on the carbon-salts composites, a novel porous SrCl2 structure is designed and fabricated with graphene oxide as skeleton by freeze casting process. Porous SrCl2 structure is feasible for various geometries with different molds at a wide SrCl2 load from 0 wt.% to 96 wt.%. The ammonia capacity of the porous SrCl2 is linear proportional to the SrCl2 load. During the ammonia absorption and desorption cycles, the graphene oxide skeleton could self-adjust along with the volume swing to within its flexibility. This porous SrCl2 demonstrates excellent tolerance of volume swing and enhanced kinetics as a promising ammonia storage material. Our approach and results may cast light on the obstacles of structuring self-expansion and shrinkage materials as well as on enhancing the gas sorption properties.

This thesis is part of a joint thermochemical heat storage (TCS) research project named Neutrons for Heat Storage (NHS), involving three Nordic research institutes. The project isfunded by Nordforsk and KTH Royal Institute of Technology for the project partner KTH. KTH´s objective in the NHS project is to design, build and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2) and ammonia (NH3) as a solid-gas reaction system for low temperature heat storage (40-100 ℃). Here, absorption of NH3 into SrCl2⋅NH3 (monoammine) to form SrCl2⋅8NH3 (octaammine) is used for heat release, and desorption (of NH3 from SrCl2⋅8NH3 to form SrCl2⋅NH3) for heat storage. This thesis initially aimed to conduct commissioning, operation and experimental data acquisition, and performance evaluation of the bench-scale TCS system. However, due to various delays in equipment delivery and shortcomings discovered during the project timeline, its objectives were then redefined to partially commission the system with NH3 and carry out the first absorption cycle in one of the reactors. This thesis project was partly a joint project, where Hjörtur Brynjarsson performed various tasks in the overarching NHS project as part of his thesis project, alongside the work described in this report. Brynjarsson’s work involved reviewing and adapting the design of this bench-scale TCS system. For further details about the shortcomings discovered and corresponding design adaptations, readers are referred to Brynjarsson’s report. In this thesis project, to understand the design of the TCS system, background research on the current project and the SrCl2-NH3 reaction pair was conducted. This includes comprehending the evolution of the project carried out by the previous students and project researchers to the current thesis project. Following this, the maximum theoretical volume of composites in the reactor-heat exchanger (R-HEX) was determined. This was found to be 5262 cm3, and the corresponding SrCl2 in the R-HEX is 1631 g for an average salt density in the composite of 0.31g/cm3. Thereupon, a literature review was conducted on the performance evaluation of Thermal energy storage (TES) systems. The final report of International Energy Agency (IEA) Annex 30 (on Applications of TES in the Energy Transition: Benchmarks and Developments) presents numerous Key Performance Indicators (KPIs) relevant to TES systems and are classified into technical, economic, and lifetime performance indicators. These KPIs are used as the basis for the current thesis work and are compared to examples from other metalhalide-NH3 TCS systems. Finally, for the current thesis project, it was decided to focus the KPIs on technical performance indicators, such as energy storage capacity [kJ] and reaction advancement [-]. As one of the main tasks within the project, the data acquisition system (for measuring temperature, pressure, and mass flow rate parameters), as well as the system components and many final connections, were commissioned herein. A data acquisition manual is thus provided for future use. It considers all the data measuring instruments and their respective locations in the system and the data logger. Also, explanations are provided for the calibration of these instruments. As the next main task, a thermal homogeneity test of the reactors (to compare the heat transfer similarity of reactors before the first reaction) was performed, to investigate the underlying assumption that the reactors were identical was valid. After conducting the test, it was found that reactor A had slightly better heat transfer than reactor B. However, this inhomogeneity is not significant enough to affect the system’s overall performance. As the final main task, partial commissioning of the system (i.e., for the first absorption reaction in reactor B) with N2 (as a mock-test to troubleshoot the procedure forNH3) and then with NH3 were carried out. During the partial commissioning of the system using NH3, the NH3 was added in short pressure pulses (between 5-8 bar(a)) with idling between each pulse due to some practical reasons. In addition to this, the absorption reaction was carried out under less than ideal (still not unfavourable) absorption conditions by deliberately setting the heat transfer fluid (HTF) at high temperatures (e.g., at 105, 90, and 65 °C) to avoid a drastic pressure drop in the reactor between each NH3 pulse. At the end of the NH3 commissioning (possible completion of absorption), it was found that 1541 g of NH3 passed through the mass flow meter. The most likely scenario is that 1521 g of NH3 reacted with the SrCl2 salt in the reactor (the rest, 20 g, is in the dead space, comprised of, e.g., the voids in composite, voids in the R-HEX, and the volume in the gas lines). The heat released from the absorption reaction, in this case, is 3774 kJ (or 1.05 kWh), considering all eight ammines. The heat released from the absorption reaction of SrCl2∙NH3 (monoammine) to SrCl2∙8NH3 (octaammine) is 3224 kJ (or 0.89 kWh). The discharge power calculation is excluded here due to the special approach used in this first absorption, with long idling steps, making that irrelevant. In addition, the sustainability aspects of this TCS technology (SrCl2-NH3) used in this project were analyzed. Based on the analysis, it was found that this technology is environmentally friendly, economically feasible, and can aid in social development. Hence, this technology is considered sustainable, and the designed TCS system has an overall positive impact on sustainable development. To conclude, within this project, the designed TCS system was successfully operated for the first absorption in one reactor and is found to meet the design storage capacity (0.89 kWh). As this TCS system was mainly operated for data acquisition, and since the first absorption was performed at less-than ideal conditions, better absorption conditions are recommended for the subsequent cycles, accommodating better temperature and pressure conditions for both absorption and desorption reactions. Finally, evaluation of the system's technical performance at different reaction conditions (pressure, temperature) and optimizing the system for energy and economics are some of the key follow-up tasks for future work that will benefit the system. / Detta exjobbsprojekt är en del av ett forskningsprojekt Neutrons for Heat Storage (NHS), som handlar om termokemisk energilagring (TCS) och genomfördes med hjälp av tre nordiska forskningsinstitut. Projektet finansieras av Nordforsk och KTH Kungliga Tekniska Högskolan för KTH. I NHS-projektet, KTH:s mål är att utforma, bygga och driva ett TCS-system i bänkskala med ett fast-gasreaktionssystem som använder reaktionsparet strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3), för värmelagring vid låg temperatur (t.ex. 40-100 ℃). Här används specifikt absorption av NH3 i SrCl2⋅NH3 (monoammin) till SrCl2⋅8NH3 (oktaammin) för värmeavgivning och desorption av NH3 från SrCl2⋅8NH3 till SrCl2⋅NH3 för värmelagring. Detta projekt syftade inledningsvis till att genomföra driftsättning, drift och insamling av experimentella data samt utvärdering av prestanda för TCS-systemet i bänkskala. På grund av olika förseningar i leveransen av flertal utrustningar och brister som upptäcktes under projektets gång, omdefinierades målen till att ta en partiell driftsättning av systemet med NH3 och genomföra den första absorptionscykeln i en av reaktorerna. Detta exjobbsprojekt var delvis ett gemensamt projekt, där Hjörtur Brynjarsson utförde olika uppgifter i det övergripande NHS-projektet som en del av sitt exjobbsprojekt, parallelt med arbetet som beskrivs i denna rapport. Brynjarsson’s arbete bestod i att granska och anpassa utformningen av denna bänkskala i TCS-system. För ytterligare detaljer om de brister som upptäcktes och motsvarande anpassningar av utformningen hänvisas läsarna till Brynjarsson’s rapport. I detta exjobbsprojekt, för att förstå TCS-systemets utformning, genomfördes bakgrundsforskning om det aktuella NHS projektet och reaktionsparet SrCl2-NH3. Detta innefattar att förstå utvecklingen av NHS projektet från tidigare projekt utförda av studenter och projektforskare för att sammanställa detta exjobbsprojekt. Därefter fastställdes i detta projekt den maximala teoretiska volymen kompositer i reaktor-värmeväxlare enheten (RHEX). Den visade sig vara 5262 cm3 och att motsvarande SrCl2 i R-HEX är 1631 g för en genomsnittlig salttäthet i kompositen på 0,31 g/cm3. Därefter gjordes en litteraturstudie om utvärdering av prestanda för system för termisk energilagring (TES). Slutrapporten om bilaga 30 från International Energy Agency (IEA) (om tillämpningar av TES i energiomställningen: Benchmarks och Utvecklingar) presenterar ett flertal nyckelindikatorer (KPI:er) för prestandaanalys som är relevanta för TES-system och som är klassificerade i tekniska, ekonomiska och livslängdsindikatorer. Dessa KPI:er används som grund för den aktuella exjobben och jämförs med exempel från andra metallhalogenid-NH3- TCS-system. För detta exjobbprojektet beslutades slutligen att fokusera KPI:erna på tekniska prestandaindikatorer, t.ex. energilagringskapacitet [kJ] och reaktionsframsteg [-]. Som en av huvuduppgifterna inom detta projekt togs datainsamlingssystemet (för mätning av temperatur, tryck och massflödesparametrar) samt systemkomponenterna och många slutliga anslutningar i drift här. En användarmanual för datainsamling tillhandahålls därför för framtida användning. Den gäller alla instrument för datamätning och deras respektive placering i systemet samt dataloggern. Dessutom ges här förklaringar till kalibreringen av dessa instrument. Som nästa huvuduppgift utfördes ett test av reaktorernas termiska homogenitet (för att jämföra reaktorernas likhet i värmeöverföring före den första reaktionen), för att undersöka om det underliggande antagandet att reaktorerna var identiska var giltigt. Efter att ha utfört testet konstaterades det att reaktor A hade en något bättre värmeöverföring än reaktor B. Denna inhomogenitet är dock inte tillräckligt betydande för att påverka systemets totala prestanda. Som sista huvuduppgift genomfördes en partielldriftsättning av systemet (dvs. för den första absorptionsreaktionen i reaktor B) med N2 (som ett simuleringstest för att felsöka förfarandet för NH3) och sedan med NH3. Under den partiella idrifttagningen av systemet med NH3 tillsattes NH3 i korta tryckpulser (mellan 5-8 bar(a)) med tomgång mellan varje puls av praktiska skäl. Dessutom utfördes absorptionsreaktionen under mindre än ideala (men ändå inte ogynnsamma) absorptionsförhållanden genom att värmeöverföringsvätskan medvetet ställdes in på höga temperaturer (t.ex. 105, 90 och 65 °C) för att undvika en drastisk tryckminskning i reaktorn mellan varje NH3-puls. I slutet av NH3-installationen (eventuellt avslutad absorption) konstaterades att 1541 g NH3 passerade genom massflödesmätaren. Det mest sannolika scenariot är att 1521 g NH3 reagerade med SrCl2-saltet i reaktorn (resten dvs., 20 g, finns i det döda utrymmet, som t.ex.består av hålrummen i kompositen, hålrummen i R-HEX och volymen i gasledningarna). Den värme som frigörs från absorptionsreaktionen är i detta fall 3774 kJ (eller 1,05 kWh), om man beaktar alla åtta aminer. Den värme som frigörs från absorptionsreaktionen av SrCl2∙NH3 (monoammin) till SrCl2∙8NH3 (oktaammin) är 3224 kJ (eller 0,89 kWh). Beräkningen av utmatningseffekten är utesluten här på grund av det speciella tillvägagångssätt som används vid denna första absorption, med långa tomgångssteg, vilket gör att den är irrelevant. Dessutom analyserades hållbarhetsaspekterna av denna TCS-teknik (SrCl2-NH3) som användes i detta projekt. På grundval av analysen konstaterades det att denna teknik är miljövänlig, ekonomiskt genomförbar och kan bidra till social utveckling. Tekniken anses därför vara hållbar och det konstruerade TCS-systemet har en övergripande positiv inverkan på hållbar utveckling. Sammanfattningsvis kan man konstatera att det konstruerade TCS-systemet inom ramen för detta projekt används på ett framgångsrikt sätt för den första absorptionen i en reaktor och att det uppfyller den avsedda lagringskapaciteten (0,89 kWh). Eftersom detta TCS-system huvudsakligen användes för datainsamling och eftersom den första absorptionen utfördes under mindre än ideala förhållanden, rekommenderas bättre absorptionsförhållanden för de efterföljande cyklerna, med bättre temperatur- och tryckförhållanden för både absorptions och desorptionsreaktioner. Slutligen är utvärdering av systemets tekniska prestanda vid olika reaktionsförhållanden (tryck, temperatur) och optimering av systemet med avseende på energi och ekonomi några av de viktigaste uppföljningsuppgifterna för framtida arbete som kommer att gynna systemet.

Thermochemical heat storage (TCS) is a thermal energy storage (TES) technology used to store thermal energy for later use. TCS can provide heating or cooling services from intermittently available thermal energy, often low grade waste heat. The system studied here stores and releases the energy in the form of chemical energy by utilizing reversible chemical reactions. TCS has potential to reduce greenhouse gas emissions, increase infrastructure system efficiency, lower society-wide energy system costs and by that contribute to sustainable development. This thesis is part of a joint TCS research project named Neutrons for Heat Storage (NHS), involving three research institutes. The project is funded by Nordforsk and KTH Royal Institute of Technology. KTH´s objective in the NHS project is to design, build and operate a bench-scale TCS system using strontium chloride (SrCl2) and ammonia (NH3) as a solid-gas reaction system for low-temperature heat storage (40-80 ℃). Here, absorption of NH3 into SrCl2⋅NH3 (monoammine) to form SrCl2⋅8NH3 (octaammine) is used for heat release, and desorption (of NH3 from SrCl2⋅8NH3 to form SrCl2⋅NH3) for heat storage. Prior to this thesis project, this TCS system, as well as its reactor+heat exchanger (R-HEX) units, were numerically designed at KTH, and the R-HEX units were manufactured. This system is now being built at the laboratory of Applied Thermodynamics and Refrigeration division at the Department of Energy Technology, KTH. The initial system is comprised of a shared storage tank, expansion valve, ammonia meter and an R-HEX (absorption path); and an R-HEX, ammonia meter, gas cooler, compressor, condenser, and the storage tank (desorption path), to accommodate absorption, desorption, and NH3 storage. This thesis was originally planned to include commissioning, operation and experimental data acquisition, and performance evaluation of this system. However, due to various delays and shortcomings discovered at the beginning of the project, its objectives were then redefined to review the system and its components and propose necessary design adaptations of the initially designed (and partially built) system. This thesis project was partly a joint project, where Harish Seetharaman performed various tasks in the overarching NHS project as part of his own thesis project, performed alongside the work described in this report. For various information and results, referring to Harish´s report therefore will be necessary. A literature review of the research into SrCl2-NH3 systems was conducted, with emphasis on performance evaluation, kinetics, and reaction paths. TES performance evaluation is discussed concerning the TCS key performance indicators, with the 2018 IEA's Annex 30 as a guideline and 2013 IRENA´s E17 technology brief as a comparative reference. Much progress and refinement has been made in the 5-year span between the publications of these documents, but some adaptations and interpretations still need to be made to the Annex 30 approach for a good approach to a TCS system of similar nature as the one studied in this report. Review of the latest research on the kinetics and reaction path of the SrCl2-NH3 reaction pair revealed that the 100-year-old single-line-and-path reaction expression is an oversimplification of the actual chemistry. The reaction path seems to be dependent on the kinetics of the reaction, and varies with heating rate, temperature, and pressure. Various literature was found and compared, which show that the reaction enthalpies and entropies are not settled science. This demonstrates the necessity for further research into the SrCl2-NH3 reaction pair before application-scale product design and commercialization can take place. A comprehensive equipment and system review was conducted, whereby multiple issues were found and addressed, that if gone unnoticed, would have caused difficult setbacks for the project.  Consequently, the previous purchased ammonia flow meters and ammonia compressor, were exchanged for new and better suiting equipment. The original ammonia flow meters were undersized due to miscalculations of converting flow units of NLPH (Normal Liters Per Hour) to the project units of g/s, while wrongly using the density of compressed ammonia to convert to g/s, instead of it at the defined normal conditions. Furthermore, these flow meters were of the wrong type, as they had no digital output for data acquisition. The original compressor was also severely undersized, only capable of evacuating 7-14% of the expected maximum desorption flow. This was due to a similar miscalculation during conversion of NLMP (Normal Liters Per Minute) to g/s, as well as an unrequested compressor stroke reduction. New solutions and additional equipment were then required to accommodate the operational limitations discovered in the final chosen equipment and system configuration. These include limiting the compressor inlet pressure to a maximum of 1.1 bar(a); avoiding risk of NH3 condensation at them inlets of the new mass flow meters and compressor; and maintaining the flow meter and compressor inlet temperatures below 40 °C. The pressure limitations required considerable design adaptations. Firstly, an ammonia by-pass is introduced to keep feeding ammonia into the compressor during low desorption flows. The inlet pressure limitation necessitated active pressure management in the form of pressure reduction valves, which were thus introduced. Secondly, the condensation regulation and temperature management required a new approach, as the cooling and condensation temperatures in the original design were too low, causing risks of far too low temperature and pressure in the desorption path, as well as counter-acting simultaneous heating and cooling between the condenser and the storage tank heating sleeve. As a solution, a shunt pump is proposed, where constant cooling water temperature provides condensation on a tight temperature range using an infinite cold wall approach. Along with reviewing the equipment and the system design, new procedures concerning investigating and confirming homogeneous heat transfer properties of the reactors are proposed. Furthermore, improvements are suggested concerning the commissioning of the experimental rig, that include equipment testing with N2-gas and stepwise changes in temperature in sequential cycles to gain a good understanding of the likely behaviors of the system before it is run at the extremes of the operating range. In conclusion, a new and improved process flow diagram, showing all these adaptations, additions, and changes from the original diagram is presented herein as the final key contribution to the overarching NHS-project. This is complemented with an instruction manual, to allow the next researchers a smooth continuation, in terms of the system build, and later commissioning and operation. Finally, some suitable next steps in the project are suggested. These include a conceptualization of descriptive functions for the performance and behavior of the specific system and reactors. These functions are proposed with temperature and pressure as independent variables, as these are two main variables influencing the kinetics of the reaction in the given system. As no experimental data exists yet, the form of the proposed functions is generic. Furthermore, a suggestion is made for a future adaptation for achieving the phase change from NH3(g) to NH3(l) (which is the storage form of ammonia in the system) by deep cooling at the desorption pressure, resulting in only a liquid pump being required to raise the pressure of the NH3(l) in the storage tank. / Termokemisk energilagring (TCS) är en teknik inom termisk energilagring (TES) som används för att lagra termisk energi för senare bruk. TCS kan tillhandahålla värme och kyla från periodvis tillgänglig termisk energi, ofta lågtemperatur spillvärme. Systemet lagrar energin som kemisk energi genom att använda reversibla kemiska reaktioner och massaseparation av reaktions-produkterna. TCS har potential att minska utsläppet av växthusgaser, öka effektiviteten av system i vår infrastruktur, minska energikostnader i samhället och därmed bidra till hållbar utveckling. Detta exjobbsprojekt är en del av ett gemensamt TCS-forskningsprojekt som heter Neutrons for Heat Storage (NHS), där tre forskningsinstitut deltar. Projektet är finansierat av Nordforsk och Kungliga Tekniska Högskolan. KTH:s mål med NHS-projektet är att projektera, bygga, samt driva ett TCSsystem i bänkskala med strontiumklorid (SrCl2) och ammoniak (NH3) som ett fast-gasreaktionssystem för lågtemperaturvärmelagring (40-80 ℃). Här används absorption av NH3 till SrCl2⋅NH3 (monoammin) för att bilda SrCl2⋅8NH3 (oktaammin) för värmeurladdning och desorption (av NH3 från SrCl2⋅NH3 till SrCl2⋅NH3) för värmelagring. Innan detta exjobbsprojekt började hade detta TCS-system, samt systemets reaktor+värmeväxlare (R-HEX) enheter varit numeriskt projekterad vid KTH, och R-HEX-enheterna hade redan tillverkats. Detta system byggs nu på laboratoriet för Avdelningen för tillämpad termodynamik och kylning vid Institutionen för Energiteknik, KTH. Det initiala systemet består av en gemensam lagringstank, expansionsventil, ammoniakmätare, och en R-HEX (systemets absorptionssida) och en R-HEX, ammoniakmätare, gaskylare, kompressor, en kondensor, och en gemensamma lagringstanken (desorptionssidan), for att rymma absorption, desorption (samtidigt) och NH3-lagring. Exjobbsprojektet var ursprungligen planerat att inkludera driftsättning, drift och experimentdatainsamling samt utvärdering av systemet. På grund av olika förseningar och brister som upptäcktes i projektet, omdefinierades projektets mål och består nu av att granska systemet och, samt att föreslå nödvändiga designanpassningar av det ursprungligen konstruerade systemet och dess komponenter. Projektet var delvis ett gemensamt arbete, där Harish Seetharaman utförde olika uppgifter i det övergripande NHS projektet som en del av sitt eget exjobbssprojekt. För olika uppgifter och resultat kommer det därför att vara nödvändigt att hänvisa till Harishs rapport. Litteraturstudié av forskningen kring SrCl2-NH3 system genomfördes, med betoning på prestandautvärdering, kinetik och reaktionsvägar. Prestandautvärdering av TES system diskuteras angående TCS-nyckelindikatorer, med 2018 års IEA:s Annex 30 som riktlinje och IRENA:s E17 Teknologi-sammandrag från 2013 som en referens. Många framsteg och förbättringar har gjorts under femårsperioden mellan dessa publikationer, men vissa anpassningar och tolkningar måste fortfarande härledas till metoderna i Annex 30 för att få ett bra förhållningssätt till ett TCS-system av liknande karaktär som det som studeras i detta projekt. Granskning av den senaste forskningen avseende reaktionskinetik och reaktionsvägar för SrCl2-NH3 reaktionsparet visade att det hundraåriga enkellinje-och-reaktionsväg-formuleringen är en förenkling av den faktiska kemin. Reaktionsvägen verkar beroende av reaktionens kinetik och varierar med uppvärmnings-takten, temperaturen och även trycket. Olika litteratur jämfördes som visar att reaktionsentalpierna och entropierna inte är fastställd vetenskap. Detta visar behovet av ytterligare forskning avseende SrCl2-NH3 innan produktdesign och kommersialisering i applikations-skala kan utföras. En omfattande granskning av systemet och dess komponenter genomfördes, där flera problem hittades och åtgärdades. Om dessa problem hade gått obemärkt förbi skulle det ha orsakat svåra bakslag för projektet. Följaktligen byttes de tidigare köpta ammoniakflödesmätarna ut till nya och en ammoniakkompressor byttes ut mot en ny, för tillämpningen bättre anpassad. De ursprungliga ammoniak-flödesmätarna var underdimensionerade pga. felberäkningar i omvandling av flödesenheter för NLPH (normal liter per timme) till projektenheterna g/s. Samtidigt var densiteten av komprimerad ammoniak felaktigt använt för omvandling till g/s, istället för densiteten vid de definierade normala förhållandena; 1 bar (a) och 20 ° C. Dessutom var dessa flödesmätare av fel typ, eftersom de inte hade någon digital utgång för datainsamling. Den ursprungliga kompressorn var också kraftigt underdimensionerad, endast kapabel att evakuera 7-14% av det förväntade maximala desorptionsflödet. Detta berodde på en liknande felberäkning vid konvertering av NLPM (normal liter per minute) till g/s, samt en oönskad kompressorslagsminskning. Nya lösningar och ytterligare utrustning krävdes för att tillgodose de operativa begränsningar som upptäcktes i den slutgiltigt valda utrustningen och systemutformningen. Dessa inkluderar: begränsa kompressorns inloppstryck till maximalt 1,1 bar(a); undvika risk för NH3 kondens i de nya massflödesmätarna och kompressorn; samt bibehålla flödesmätarens och kompressorns inloppstemperaturer under 40 °C. Tryckbegränsningarna krävde omfattande projekteringsanpassningar. För det första införs en ammoniak-by-pass för att fortsätta mata ammoniak till kompressorn under låga desorptionsflöden. Inloppstrycksbegränsningen nödvändiggjorde aktiv tryckhantering i form av tryckreduceringsventiler. För det andra krävde kondensregleringen och temperaturhanteringen en ny strategi, eftersom kyl- och kondenseringstemperaturerna i den ursprungliga utformningen var för låga. Detta orsakade risker för alldeles för låg temperatur och tryck på desorptionssidan, samt samtidigt motverkande uppvärmning och kylning av kondensorn och förvaringstankens värmehylsa. Som en lösning föreslås en shunt där konstant kylvattentemperatur ger kondens i ett tätt temperaturintervall med en oändlig kallväggsinriktning. Tillsammans med granskning av utrustningen och systemutformningen föreslås nya tillvägagångssätt för undersökning och bekräftelse av reaktorers förmodade homogena värmeöverförings-egenskaper. Dessutom föreslås förbättringar av idrifttagningen av den experimentella riggen, som inkluderar utrustningstestning med N2-gas och stegvisa temperaturförändringar i sekventiella körningar för att få en god förståelse för systemets troliga beteenden innan det körs i ytterligheterna av systemts arbetsområde. Sammanfattningsvis presenteras ett nytt och förbättrat processflödesdiagram, som visar alla utförda anpassningar, tillägg och ändringar från det ursprungliga diagrammet, som är avhandlingsprojektets huvudbidrag till det övergripande NHS-projektet. Detta kompletteras med en bruksanvisning för att smidigt fasa in kommande forskare avseende systemets konstruktion, driftsättning, och drift. Slutligen föreslås några lämpliga kommande steg i projektet. Dessa inkluderar en konceptualisering av beskrivande funktioner för prestanda och beteende av det specifika systemet och reaktorer. Dessa funktioner föreslås med temperatur och tryck som oberoende variabler, eftersom dessa är två huvudvariabler som påverkar reaktionens kinetik. Eftersom inga experimentella data ännu finns, är formen för de föreslagna funktionerna generisk. Vidare ges förslag om framtida anpassning för att uppnå fasändringen från NH3(g) till NH3(v) (som är lagringsformen för NH3 i systemet) genom djup nedkylning vid desorptionstrycket, vilket resulterar i att endast en vätskepump krävs för att höja trycket för NH3(v) i lagringstanken.