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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-302505 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Brynjarsson, Hjörtur |
| 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 ; 2021:488 |
Page generated in 0.003 seconds