碳酸钙、氧化钙“神助攻”太阳能发电厂——钙基热化学储能体系为清洁能源“补短板”


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  一文了解碳酸钙/氧化钙化学储能体系在太阳能发电领域的应用以及相关粉体改性材料...

中国粉体网讯


前言

 

在“双碳”目标下,开发清洁、可再生能源,减少化石能源使用,加快能源结构转换日益紧迫。聚光太阳能(CSP)发电技术是将太阳能聚集起来,通过传热转化为热能进行热力循环发电的技术。CSP发电技术具有能量转化率高、调峰能力强、绿色环保、无污染等优点,被认为是降低太阳能发电成本、大规模开发太阳能的最有效途径之一。

 

但太阳能也有能量密度低、间歇性和不稳定性等缺点。热能存储(TES)既能收集低品位、低密度的太阳能,又能解决太阳能利用过程中不稳定、不连续的问题,有望实现电网的“削峰填谷”,是克服太阳能局限性的有效方法。

 

1钙基材料储能系统概况

 

1.1储能价值

 

在众多TES体系中,基于CaO/CaCO3(如式(1)所示,标准状态下的反应热ΔH0为178kJ/mol)的热化学储能被认为是具有前景的CSP储能技术之一。CaO/CaCO3体系储能密度高达3.2GJ/m3,是目前储能密度最大的体系之一。CaO/CaCO3体系放热温度高达850℃以上,能够实现高效发电。而且石灰石、白云石等CaO材料价格低廉,分布广泛,有利于实现大规模、可持续储能。CaO/CaCO3储能系统需要CO2气体,因此这也是一种CO2资源化利用方式。

 

CaO、CaCO3储能与CSP发电的集成系统

 

1.2储能原理

 

CaCO3在高温下吸收热量,被分解为CaO和CO2,煅烧释放的CO2经压缩后储存,CaO在常温常压下储存,此为储能过程。当需要能量时,将CaO和CO2在碳酸化反应器中进行放热的碳酸化反应,将储存的能量以热能形式释放出来,此为热能释放过程。而利用热能发电,将热能传递到动力循环系统中即可。


 

CaO基材料热化学储能原理示意

 

1.3储能环境

 

在CaO/CaCO3系统中煅烧反应需足够迅速,使CaCO3能够在较短时间内完全分解。影响煅烧反应速度的主要参数是煅烧温度和CO2分压力。研究人员探讨了几种适用于CaO/CaCO3储能的煅烧气氛,主要包括CO2、水蒸气和惰性气体。不同气氛下CaCO3的煅烧温度差别明显。

 

1.4钙基材料储能系统发展现状


 

开式CO2/空气布雷顿循环CaO/CaCO3储能系统


 

闭式CO2布雷顿循环CaO/CaCO3储能系统


 

连续发电闭式CO2布雷顿循环CaO/CaCO3储能系统

 

ORTIZ等探索了CaO/CaCO3储能系统与其他动力循环的集成方案,包括亚临界朗肯循环(效率35.5%)、超临界CO2布雷顿循环(效率32%)和联合循环(效率40.4%)。目前的研究结果表明,闭式CO2布雷顿循环CaO/CaCO3储能系统具有最高系统效率。

 

2材料改性与钙基材料储能系统性能优化

 

由于钙基热化学储能体系反应温度较高,反应物在循环过程中会出现烧结、孔隙堵塞的问题,使材料的循环活性下降,严重影响循环寿命。为解决此问题,许多学者对钙基储能材料进行改性、复合处理研究。

 

2.1纳米SiO2与CaCO3复配增加储能寿命

 

已有研究发现,SiO2可用于改善CaO颗粒结构分散性并减轻烧结。与纯CaCO3相比,复合材料的最低反应温度会更低,且SiO2的掺杂使得能量的循环转化损失明显减少。

 

也有研究表明,与纯CaCO3相比,掺杂SiO2的CaCO3材料热导率较高,气体与固体之间的热传递被强化,其能量存储容量更大,反应时间更短。

 

2.2Al2O3/CaO复合增强储能稳定性

 

针对多种不同的氧化物改性材料,Han团队将Al2O3、SiO2及TiO2复合的CaO材料进行对比,结果表明与纯CaO相比,复合后的材料都表现出较高的储热密度和稳定性。

 

其中,Al2O3改性材料的表现最为出色。Al2O3摩尔分数为5%的复合材料再经50次循环后储能密度为1.50GJ/t,为理论最大值的87%。


 

纯CaO样品与Al2O3摩尔分数分别为5%、10%、15%的复合样品SEM图

(a)~(d)煅烧1次后;(e)~(h)煅烧20次

 

2.3石墨烯/CaCO3复合防止烧结团聚

 

除以上几种氧化物外,Han团队还研究了石墨复合CaCO3材料的性能。在50次循环反应后,具有质量分数为3%纳米石墨片的复合材料储能密度达到1333kJ/kg,是纯CaCO3(452kJ/kg)的2.9倍。此研究中复合材料的制备方式与前几种略有不同,主要是借助石墨来使材料形成片状结构,以防止烧结团聚,并促进CO2的吸收。

 

2.4Mn-Fe氧化物/多孔CaCO3杂化增效节能

 

上述几种改性材料都可以增加CaCO3或CaO的导热能力以及材料本身的强度,以提高其反应性能。而当反应材料被用于直接辐射式反应时,增强其吸收太能辐射的能力也极为重要。Teng等使用葡萄糖酸钙制备多孔CaCO3,并分别采用离子法和颗粒法两种工艺将Mn-Fe氧化物掺杂到CaCO3中,使白色的CaCO3变黑,从而直接从太阳辐射中吸收反应所需热量。实验结果表明,与CaCO3的日光吸收率从11.23%(纯CaCO3)提高到90.15%。与此同时,Mn-Fe氧化物的添加也强化了多孔结构,使循环稳定性增加。

 

结语

 

CaO/CaCO3等钙基热化学储能体系具有储能密度高、成本低、安全性高、材料易获得等优点,反应温度涵盖了中高温与中低温,适用性广,是十分有希望被大规模应用的热化学储能系统之一。在实际应用中,钙基材料热化学储能系统需要与其他系统整合,以达到节约能源,并将能源转化为可用电能的目的。粉体网编辑期待,钙基材料储能系统在太阳能发电领域不断发挥超强热量,持续助力清洁能源事业发展。

 

参考来源

 

孙浩,等:基于CaO/CaCO3体系的热化学储能研究进展,山东大学

凌祥,等:钙基热化学储能体系装备与系统研究进展,南京工业大学

马张珂,等:CaO基材料储能辅助燃煤电站碳捕集研究进展,山东大学

推荐1

作者:昧光

总阅读量:1569985

相关新闻:
网友评论:
0条评论/0人参与 网友评论

版权与免责声明:

① 凡本网注明"来源:中国粉体网"的所有作品,版权均属于中国粉体网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国粉体网"。违者本网将追究相关法律责任。

② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。

③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

粉体大数据研究
  • 即时排行
  • 周排行
  • 月度排行
图片新闻