Traditional bioenergy practices in sub-Saharan Africa involve collecting natural forest wood and burning it in simple fireplaces for household cooking. This is actually still very common, especially in rural areas. The situation is unfortunately connected to health issues, inequality and natural forest degradation and deforestation. To alleviate these problems, agricultural residues and agroforestry trees can be used as feedstocks in more efficient and less polluting cooking solutions and local electricity production, via thermochemical conversion processes. However, the feedstock availability and suitability for such processes needs to be better mapped, evaluated and understood. With a focus on Rwanda, the aim of this study was therefore to investigate the potential feedstock for thermochemical energy utilization of agricultural residues and woody biomass produced in agroforestry settings.Interviews with 14 agro-processing companies were conducted, which provided data for the available amounts of a range of different potential biomass fuels based on agricultural residues, such as cassava peels, coffee husks, coffee pulps, maize cobs, maize screening, rice husk and sugarcane bagasse. This data was then applied to estimate the total residue quantities available in Rwanda. 23 biomass samples, both agricultural residues and woody biomass, were also collected and characterized in the laboratory by means of a so called proximate analysis, i.e. moisture, ash content, volatile matter and fixed carbon.Based on this study, it was clear that there are significant amounts of agricultural residues produced and handled in Rwanda. Cassava peels and maize cobs were estimatedly abundant, with sugarcane bagasse and rice husk also being available in large quantities. Depending on the application, moderate to strong seasonalities of some residues, such as maize cobs, can be challenging. Another circumstance of great relevance here is that a vast majority of the agricultural residues assessed in this work already seemed to be utilized for different purposes, such as fuel for heating or cooking.Regarding fuel properties and quality, related to ash, volatile matter and fixed carbon content, many of the feedstocks investigated indicated good suitability in some kind of thermochemical conversion process. However, high moisture contents may need to be addressed in some cases to avoid low process efficiencies, such as for maize cobs, sugarcane bagasse and fresh agroforestry trees.

Fosfor är ett ändligt näringsämne som på senare tid uppmärksammats i samband med övergödning och bristen som råvara. Näringsämnet är livsviktigt för likväl människor som djur och växter och de brytbara fosforreserverna börjar ta slut. Det gäller att i framtiden applicera hållbara fosforåtervinningsmetoder för att ta tillvara på mängden fosfor som finns i omlopp. Avloppsslam är ett avfall som växer till storleken och med befolkningsmängden. Rötat avloppsslam tillsammans med andra avfall i form av rötrester innehåller nyttiga näringsämnen så som fosfor, kväve och kalium men också onyttiga spårämnen, patogena ämnen, organiska rester och tungmetaller. Rötslam innehåller även läkemedelsrester och mikroplaster. I dagens läge är det tillåtet att sprida rötslam och rötrest på åkermark för att återföra fosfor tillsammans med andra näringsämnen till jordbruket. Kommande regelverk innebär skärpta lagkrav på rötslammet som måste genomgå någon form av förbehandling innan innehållet får användas som en resurs. Ett alternativ är att vidta strängare krav på hygienisering utav slammet. Det kan ske med pastörisering, termofil rötning eller annan behandling vid högre temperaturer. Ett annat, mer lovande alternativ är förbränning av rötslam och rötrest. Vid förbränning destrueras en stor mängd av oönskade ämnen så som läkemedelsrester, patogena ämnen och kvarblivet organiskt material. Beroende på i vilken panntyp förbränning sker, CFB-, BFB-panna eller rosterpanna kvarblir en askfraktion som botten- och flygaska. I askfraktionerna finns fosfor och till stora delar tungmetaller kvar. Fosforn är relativt inert vid temperaturförändringarna medan lättflyktiga tungmetaller evaporerar och ansamlas till störst del i flygaskan. Rapporten utvärderar ett antal olika fosforåtervinningsmetoder som kan indelas i två huvudkategorier, termo- och våtkemiska återvinningsmetoder. Syftet är att beskriva de olika metoder samt uppskatta dess kostnader, kommersiell mognad samt ange för- respektive nackdelar för metoderna ur ett hållbart perspektiv. Till de termokemiska metoderna tillhör termisk behandling av avloppsslam i en BFB-panna och ASH DEC-processen. Den förra är under utveckling och befinner sig på labb/bänk-skala. Den termokemiska behandlingsmetoden i BFB-panna är en dekontamineringsprocess där askan kan spridas direkt på åkermark då fosforn befinner sig i form av växttillgängligt whitlockit i bottenaskan. Systemet beräknas ha en investeringskostnad på 72 Mkr, med en pay-back tid på 4,4 år och kapacitet på minst 1000 ton aska/år. ASH DEC-processen är också en termokemisk dekontamineringsprocess där produkten utvinns i form av natriumkalciumfosfater. Metoden uppskattas ha en investeringskostnad på 140-170 Mkr, återbetalningstid på ca 4 år för en kapacitet på ca 30 000 ton aska/år. I investeringskostnaden ingår en roterugn Processen är kommersiell och anläggningar finns i Tyskland och Österrike. De våtkemiska fosforåtervinningsmetoderna innefattar CleanMAP-technology, PASH-Processen, SEPHOS-processen, SESAL-phos processen och BioCon-Processen. Gemensamt för dessa processer är att olika laknings- och upplösningstekniker används samt att ett processvatten bildas och måste genomgå vattenrening. CleanMAP-technology är en lovande våtkemisk process under utveckling. Pågående förprojektering ska innefatta en anläggning med kapacitet upp till 30 000 ton aska/år, vilket motsvarar ett omhändertagande på ca 30 % av Sveriges idag producerade avloppsslam. CleanMAP ger en klassificerad produkt i form av 100 % rent ammoniumfosfat som kan användas direkt som gödningsmedel och är vattenlösligt. Processen anses enligt EasyMining Sweden AB vara energieffektiv med låga driftkostnader, god tungmetall reduktion och enkel att implementera i enbefintlig anläggning. Tekniken är under utveckling och eftersom ingen anläggning byggts finns inga investerings- eller driftskostnader publicerade. PASH-processen är en lakningsmetod som bildar kalciumfosfat som slutgiltig produkt. Processen ger en reduktion av tungmetaller och andra metaller, specifikt aluminium. Processen är därför lämplig att använda på avloppsslam där reningsverk använt aluminium som fällningskemikalie. PASH-processen beräknas ha en investeringskostnad på ca 46 Mkr, driftkostnad på 37 Mkr vid en kapacitet på 30 000 ton aska/år och en fosforåtervinning på ca 1 700 ton/år. SEPHOS-processen använder syra och bas för upplösnings av aska. Fosfor återvinns som aluminiumfosfat som sedan genomgår ett mer avancerat steg (Advanced SEPHOS-process), i syfte att slutligen erhålla kalciumfosfater som är mer växttillgängligt då aluminium kan orsaka skada på växternas rötter.SEPHOS-processen är under utveckling och det finns inga investerings- eller driftkostnader att tillgå. SESAL-Phos processen är en flerstegsprocess med upplösning av aska med syra och bas för att bilda växttillgängligt kalciumfosfat som produkt. Processen är under utveckling och information om investerings- och driftkostnader finns inte att tillgå. BioCon-Processen är baserad på en jonbytesteknik för att separera oönskade metaller och oorganiska element för att erhålla fosforsyra. Processen är omfattande och kräver en mängd olika tillsatskemikalier. Processen används i Danmark vid en förbränningsanläggning och implementerades i Sverige under tidigt 2000-tal men anläggningen har lagts ned vid på grund av driftproblem. De metoderna som är mest lovande för Fortum Värme att vidare granska, sett till de för och nackdelar som erhållits, är CleanMAP-technology, ASH DEC-processen och termisk behandling i BFB-panna. CleanMAP-teknologin innefattar driftkostnader i form av hög kemikalieförbrukning, och kräver mindre anläggningsyta än ASH DEC-processen. ASH DEC-processen är kommersialiserad i Tyskland och Österrike och har drifterfarenhet av anläggningen, vilket är en god anledning till implementering i Sverige. Termisk behandling i BFB-panna har potential att fungera både praktiskt och ekonomiskt. Trots att denna process är långt ifrån kommersiell, kan den i framtiden vara en god kandidat att implementera för fosforåtervinning. Kvaliteten på erhållet rötslam och rötrest bör ha en låg ask- och fukthalt vilket ger en bättre förbränning. Biobränsle har en låg askhalt men hög fukthalt. Samförbränning av rötslam och rötrest tillsammans med biobränsle är att föredra rent ekonomiskt eftersom investering i en mono-förbränningsanläggning enbart för slam kan undvikas. En nackdel är dock att koncentrationen av fosfor i askan blir lägre och kostnaden för fosforåtervinning ökar. Fukthalten på biobränslet bör vara så lågt som möjligt, dels för att uppnå en tillräcklig koncentration av fosfor, dels för att erhålla ett rimligt värmevärde på bränsleblandningen vid förbränning. Huruvida förbränning av rötslam eller strängare krav på hygienisering av avloppsslam är ett tillvägagångssätt för behandling är i dagens läge en pågående diskussion. I ett initialt skede är ett alternativ att förbränna mindre mängder av rötslammet i de fall tungmetallhalterna, särskilt kadmium, är för höga för att spridas på åkermark. Ur ett hållbart perspektiv är det lämpligt att se förbränning och efterföljande fosforutvinning ur aska som ett gott alternativ till behandling av ett, till mängden, växande avfall. Både den sociala- ochmiljömässiga aspekten behandlas då avfallsvolymer reduceras, läkemedelsrester, smittoämnen och andra patogena ämnen destrueras samtidigt som tungmetaller reduceras och fosfor återvinns. Ur ett ekonomiskt perspektiv är kostnaderna för att återvinna fosfor i dagsläget för höga i jämförelse med vad det kostar att bryta råfosfater. Det kostar ca 28-38kr/kg för framtagning av återvunnen fosfor, beroende på vilken metod som används. Försäljningspriset för fosfor är ca 3 kr/kg. Tillsvidare gäller det att utveckla och effektivisera fosforåtervinningsmetoderna så att driftproblem kan minimeras samt investerings- och driftkostnader kan reduceras vilket medför större attraktion för företag att investera i återvinningsmetoderna. / Phosphorus is an endless nutrient that lately has been drawing much attention in correlation to over-fertilization and as a scarce commodity. Phosphorus is essential to all life, humans, animals and plants and the workable phosphorus back-ups seems to be running out. It is therefore important in the future to apply sustainable phosphorus recovery methods to take care of the circulation of phosphorus in today’s society. Sewage sludge is a waste that grows with the increase of population. Digested sewage sludge among other wastes such as digested municipal food waste contain beneficial nutrients such as phosphorus, nitrogen and potassium but also unhealthy trace elements, pathogenies, heavy metals and unwanted organic material. Sewage sludge also contain drug residues and micro plastic fibers. As of today it is allowed to spread sewage sludge and digested municipal food waste on farm land to return phosphorus together with other nutrients. Future set of regulations will probably be subtilized which will influence the usage of sewage sludge spreading on farm land. The sewage sludge will most likely have to go through some kind of pretreatment before being used as a resource. An alternative is to institute harder demands on hygenization which can be performed by pasteurization, thermophilic digestion or other treatments involving an increase in temperature to get rid of harmful substances. Another alternative that seems more promising is combustion of sewage sludge and digested municipal food waste, which will destroy unwanted substances such as drug residues, pathogenies, and left-over organic material. Depending in which type of pan the combustion will take place, CFB- (Circulated fluidized bed), BFB- (Bubbling fluidized bed) or grate boiler it will leave different amount of bottom ash and fly ash. Phosphorus and larger amount of heavy metals will be concentrated in the ash. Phosphorus is inert to the temperature changes and finds itself contained in the bottom ash, meanwhile heavy metals evaporate and stack up in the fly ash. This report evaluate different kinds of phosphorus recovering methods that can be divided in to main categories, thermo chemical and wet chemical recovery methods. The main purpose is to describe the methods, estimate its cost, find out if the method is ready for commercial use and specify the advantages and disadvantages. Thermo chemical treatment of sewage sludge ash in a BFB and the ASH DEC-process is two thermo chemical treatment methods this report brings up. The first mentioned is under development and its main purpose is to decontaminate the ash and use phosphorus rich whitlockite ash as a fertilizer. The system has an evaluated investment cost of 72 MSEK, with a pay-back time of 4,4 years and a capacity of at least 1000 ton ash/year. The ASH DEC-process is also a decontaminating process where the product is reclaimed as sodium calcium phosphates. The method estimated investment cost is around 140-170 MSEK with a pay-back time of 4 years and a capacity of 30 000 ton ash/year. The ASH DEC-process is currently in use in Germany and Austria. Among the wet chemical phosphorus recovery methods presented in this report is, CleanMAP-technology, PASH-Process, SEPHOS-Process, SESAL-Phos process and the BioCon-process. In common for these process is the different leaching and dissolution techniques and the origin of a process water that has to be cleaned before released. CleanMAP-Technology from EasyMining Sweden AB is much promising currently under development. The layout design will encapsulate a capacity of 30 000 ton ash/year, which correspond to the apprehending of nearly 30 % of the produced sewage sludge in Sweden today. CleanMAP-technology gives a water soluble product, ammonium phosphate, with nearly 100 % purity and can be used directly on farm lands. The process is energyefficient with low operating costs and a propitious heavy metal reduction. The technique is under development with no demonstration and no public data of investment costs or operating costs available. The PASH-process is an acid leaching method and form calcium phosphate as final product. The process gives a reduction of heavy metals and other metals, aluminum in specific. The process is therefore most appropriate to use on sewage sludge from water treatment plants that uses aluminum as a precipitate chemical. The investment cost is estimated to around 46 MSEK with an operating cost of 37 MSEK and a capacity of 30 000 ton ash/year and a phosphorus recovery of 1 700 ton/year. The SEPHOS-process uses acid and base for the dissolution of ash. Phosphorus is recovered as aluminum phosphate that ultimately is passed through a more advanced step called “advanced SEHPOS-process” in purpose to obtain calcium phosphates which are more suitable for plants because aluminum can cause damaged to the roots. The SEPHOS-process is currently under development and there are no public released data on investment costs or operating costs. The SESAL-Phos process is a multi-stage process with dissolution of ash with acid and base to obtain calcium phosphate as final product. The process is currently under development. The BioCon-process is based on ion exchange technology to be able to separate unwanted metals and inorganic elements. The obtain product is mainly phosphorus acid. The process is comprised and has a large variety of chemical demand. The process is used in Denmark and was implemented in Sweden in early 21th century but had to close down due to operating problems. Phosphorus recovery methods that seems most promising for Fortum Värme, accordingly to the advantages and disadvantages is CleanMAP-technology, ASH DEC-process and in the future thermo chemical treatment of sewage sludge ash in a BFB-boiler. CleanMAP-technology can implicate high operating costs due to the addition of chemicals, but they will be part of the products and the facility will be smaller than the ASH DEC-process. The ASH DEC-process is a commercial process in use in both Germany and Austria and has knowledge of operating which will be one of the reasons to consider implementation in Sweden. Thermo chemical treatment in a BFB-boiler has potential both practical and economical to be considered for implementation in the future even though it’s far from a commercial use. The quality of digested sewage sludge and digested municipal food waste should have a low ash- and moisture content. Bio fuel contain low ash content but high moisture content. Co-combustion of digested sewage sludge and municipal food waste along with bio fuel is to prefer in an economically point of view because no further investment in a mono-combustion plant is needed for the sludge only. One disadvantage is that the concentration of phosphorus in the ash will be lower and the cost of phosphorus recovery will increase. An appropriate moisture content of the bio fuel should be as low as possible to obtain higher phosphorus concentration in the ash and to get a tolerable heat value in the fuel mix during combustion. Whether combustion of digested sewage or more severe demands on hygenization of sewage sludge is the wanted procedure for treatment is today an ongoing discussion. Initially, one alternative is toburn small amounts of digested sewage sludge in those cases heavy metal content is too high to be spread on farm lands, especially cadmium. In a sustainable perspective it would be appropriate to see combustion followed by phosphorus recovery methods from ash as a good option of treatment. Both the social- and environmental aspect is attended when the volume of waste is decreased, drug residues destroyed, infectious agents and other pathogenic substances destroyed meanwhile heavy metals is concentrated and gathered for safe depositing. In an economical point of view it is confirmed that the costs to recover phosphorus is today too high in comparison to workable resources. Today the cost of recovered phosphorus is around 28-38 SEK/kg, depending on which method used and the selling price is around 3 SEK/kg, which makes it non profitable. For the time being the phosphorus recovery methods need further attention to be able to develop and expand upon. The need is also to make them more effective and to learn how to encounter operating failures and minimize the investment- and operating costs. If so, the recovery methods will bring more attention to companies and make them more interested in investment.

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.

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.