A systematic multi-step screening of numerous salt hydrates for low temperature thermochemical energy storage

• We report an evaluation of the potential of salt hydrates for thermochemical storage.
• Both theoretical calculations and experimental measurements using TGA/DSC are used.
• Salt hydrates offer very low potential for thermochemical heat storage.
• The efficiency of classical processes using salt hydrates is very low: typically 25%.
• New processes are needed for the use of salt hydrates in thermochemical heat storage.

In this paper, the potential energy storage density and the storage efficiency of salt hydrates as thermochemical storage materials for the storage of heat generated by a micro-combined heat and power (micro-CHP) have been assessed. Because salt hydrates used in various thermochemical heat storage processes fail to meet the expectations, a systematic evaluation of the suitability of 125 salt hydrates has been performed in a three-step approach. In the first step general issues such as toxicity and risk of explosion have been considered. In the second and third steps, the authors implement a combined approach consisting of theoretical calculations and experimental measurements using Thermogravimetric Analysis (TGA). Thus, application-oriented comparison criteria, among which the net energy storage density of the material and the thermal efficiency, have been used to evaluate the potential of 45 preselected salt hydrates for a low temperature thermochemical heat storage application. For an application that requires a discharging temperature above 60 °C, SrBr2·6H2O and LaCl3·7H2O appear to be the most promising, only from thermodynamic point of view. However, the maximum net energy storage density including the water in the water storage tank that they offer (respectively 133 kW h m−3 and 89 kW h m−3) for a classical thermochemical heat storage process are not attractive for the intended application. Furthermore, the thermal efficiency that would result from the storage process based on salt hydrates without condensation heat recovery appears also to be very low (lower than 40% and typically 25%). Even for application requiring lower discharging temperature like 35 °C, the expectable efficiency and net energy storage density including the water storage remain low. Alternative processes are needed to implement for salt hydrates in low temperature thermochemical heat storage applications.

RésuméCet article considère une batterie thermique dédiée à l’optimisation du fonctionnement d’une micro-cogénération en utilisant le stockage de chaleur par voie thermochimique. Étant donné le fait que les sels hydratés utilisés dans diverses applications se sont révélés peu prometteurs, une évaluation systématique de la pertinence ou de l’aptitude de 125 sels hydratés à satisfaire aux exigences d’un procédé de stockage thermochimique opérant en dessous de 105 °C a été réalisée. L’approche, en trois étapes, comprend élimine dans un premier temps des matériaux qui ne répondent pas à des aspects généraux tels que la toxicité ou l’inflammabilité. Dans la seconde et troisième étape, les auteurs adoptent une démarche alliant des calculs théoriques et des mesures expérimentales basés sur l’analyse thermogravimétrique (ATG). Des critères de comparaison orientés vers l’application, entre autres la densité de stockage énergétique nette du matériau, ont été utilisés de même que le rendement thermique pour évaluer 45 sels hydratés qui ont été présélectionnés. Pour une application demandant 60 °C pour la température de restitution (décharge), le SrBr2·6H2O et le LaCl3·7H2O se révèlent être les sels les plus prometteurs, lorsqu’on ignore leur prix. Cependant, la densité de stockage énergétique nette maximale offerte par ces deux sels, prenant en compte le réservoir de stockage d’eau (respectivement 133 kW h m−3 et 89 kW h m−3), permettrait difficilement d’atteindre l’objectif visé. Par ailleurs, le rendement thermique qu’on pourrait atteindre en utilisant les sels hydratés dans un procédé de stockage thermochimique sans récupération de la chaleur de condensation est relativement faible (inférieur à 40% et généralement 25%). Même pour des applications demandant un bas niveau de température de décharge, par exemple 35 °C, la densité de stockage énergétique nette et le rendement thermique qu’on peut espérer sont relativement faibles. Assurer un futur pour les sels hydratés dans les procédés thermochimiques ne passera que par des procédés alternatifs.

ZusammenfassungIn dieser Publikation wurden die potentiellen Energiespeicherdichte und der Speicher-Wirkungsgrad von Salzhydraten als thermochemischen Speichermaterialien zur Speicherung von Wärme ermittelt, die von einem Mikro-Blockheizkraftwerk (Mikro-BHKW) erzeugt wird. Da Salzhydrate bei verschiedenen Anwendungen hinter den Erwartungen zurückgeblieben sind, wurde eine systematische Evaluation für die Eignung von 125 Salzhydraten in einer dreistufigen Prozedur durchgeführt. Im ersten Schritt wurden generelle Aspekte wie Toxizität und Explosionsrisiko berücksichtigt. Im zweiten und dritten Schritt implementierten die Autoren einen kombinatorischen Ansatz, der aus theoretischen Berechnungen und experimentellen Messungen mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) besteht. Damit wurde eine systematische Evaluation der potentiellen Energiespeicherdichte und Effizienz von 45 vorausgewählten Salzhydraten für Niedertemperatur-Wärmespeicheranwendungen bei unter 105 °C durchgeführt. Für eine Anwendung, die eine Entladetemperatur über 60 °C benötigt, sind SrBr2·6H2O und LaCl3·7H2O zumindest vom thermodynamischen Standpunkt, aus die vielversprechendsten Speichermaterialien. Jedoch erscheint deren jeweilige maximale Nettoenergiespeicherdichte inklusive Wasserspeichertank unter Betrachtung eines klassischen thermochemischen Wärmespeicherprozesses von 133 kW h m−3 bzw. 89 kW h m−3 nicht attraktiv für die betrachtete Anwendung. Weiterhin ist die thermische Effizienz, die aus dem Speicherprozess ohne Kondensationswärme-Rückgewinnung resultiert, ebenfalls sehr niedrig (niedriger als 40%, typischerweise 25%). Sogar für Anwendungen, die eine geringere Ausspeichertemperatur, z.B. 35 °C, benötigen, bleibt die zu erwartende Effizienz und Nettoenergiespeicherdichte niedrig. Alternative Prozesse werden benötigt, um Salzhydrate in Niedrigtemperaturspeicher-Anwendungen zu implementieren.

ResumenEste articulo evalúa el potencial de la densidad de almacenamiento energético y eficiencia de las sales de hidrato como materiales de almacenamiento termo-químico proveniente de un micro-cogenerador que combina calor y potencia (micro-CHP). Debido a que las sales de hidrato usadas en varios procesos de almacenamiento de calor no cumplen con las expectativas, se ha desarrollado una estrategia en tres etapas para la evaluación sistemática de la adecuabilidad de sales 125 sales de hidrato. El primer paso considera planteamientos generales tales como toxicidad y riesgo de explosión. En la segunda y tercera etapas, los autores implementan una estrategia combinada consistente en cálculos teóricos y medidas experimentales utilizando para ello Análisis Termo Gravimétrico (ATG). Así pues, se ha conducido una evaluación sistemática del potencial de la densidad de almacenamiento energético y eficiencia de 45 sales de hidrato previamente seleccionadas destinadas a aplicaciones de almacenamiento de calor termo-químico de baja temperatura, por debajo de 105 °C. Los materiales, SrBr2·6H2O and LaCl3·7H2O parecen ser los más prometedores de ser utilizados desde el punto de vista termodinámico, en aplicaciones que requieren una temperatura de descarga por arriba de 60 °C. Sin embargo, la máxima densidad neta de almacenamiento energético que estos ofrecen, incluyendo el agua en el tanque de almacenamiento, (133 kW h m−3 y 89 kW h m−3 respectivamente) no son atractivas para la aplicación prevista. Además, la eficiencia térmica que podría resultar de un proceso termoquímico convencional de almacenamiento de calor basado en sales hidratadas (por debajo de 40% y típicamente 25%) también parece ser muy bajo. Incluso para aplicaciones que requieran una baja temperatura de descarga como por ejemplo 35 °C, la eficiencia esperada y la densidad neta energética de almacenamiento incluyendo el almacenamiento de agua permanecen bajos. Se precisa de procesos alternativos que puedan ofrecer un futuro a las sales hidratadas para aplicaciones de almacenamiento termoquímico de calor a bajas temperaturas.

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