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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-288527 |
| Date | January 2020 |
| Creators | WANG, DIYUE |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:602 |
Page generated in 0.1915 seconds