Production and testing of magnesium carbonate hydrates for thermal energy storage (TES) application

I denna avhandling ingår både forskning inom koldioxidavskiljningoch lagring genom mineralisering (CCSM) (carbon capture and storage by mineralisation, CCSM) och produktion av dess slutprodukt, magnesiumkarbonathydrat (MCH) för lagring av termisk energi (thermal energy storage, TES). Senare delen av avhandlingen behandlar utvecklingen av en process som använder MCH som ett TES-material inklusive termisk systemmodellering och simulering med hjälp av de experimentella resultaten. För att uppnå målen i Parisavtalet(Förenta nationernas klimatavtal)om minskade koldioxidutsläpp är allafungerande ochgenomförbara åtgärder viktiga, inklusiveteknik för förnybar energi och koldioxidavskiljningoch lagring (CCS). Utgående från det faktum attgeologisk koldioxidlagringinte är möjlig i Östersjön,ärCCSMFinlands ända CCS alternativ. CCS (och CCSM) är mycket forskat runt om i världen och vid Åbo Akademihar en magnesiumbaserad CCSM-processutvecklats (kallas ÅA-route). TES kan utöka användningen av värme som produceras i förnybara källor som inte tillgodoser efterfrågan på en gång. Genom attutveckla ett material avCCSM-karbonatprodukten som förmodligenfinns tillgängligt i rikliga mängderi framtiden,motiverar CCSM urbåde ekonomisk och miljömässig synvinkel. Avhandlingen är endel avfortsättning på forskningen av tidigare arbete med CCSM-processen (ÅA-route),som utvecklats vid Åbo Akademi. I detvå första artiklarna rapporterasarbetet kringmöjligheten att hitta lämpliga mineraler (rest mineral eller anrikningssand)närmare industrin med rikliga CO2-utsläpp i Finland. Det är uppenbart att energianvändningen och koldioxidutsläppen för CCSM-processen bör minimeras(transportsträcka och kemisk effektivitet vid extraktion). I artiklarna jämförs magnesiumutvinning från två serpentinitmineraler, Mg-hornblende och diopsidfrån fyndigheter iFinland. Studien jämför två extraktionsprocesser av magnesium (fastfas / fastfas, 440 ° Coch vätskefas/ fastfas70-100 ° C) för dessamineraler,samtföreslår nya proportioner och blandningar av extraktionssalter. De bästa extraktionsresultaten i studien medenvätskefas/ fastfasreaktor ger en CO2-bindningskapacitet på 292 kg CO2/ ton (Serp-A 500 km från CO2-källan) eller260 CO2/ ton (Serp-B, 100 km från CO2-källan).Däremot skulle en fastfas/ fastfasreaktorbinda240 kg CO2/ ton och 207 CO2/ ton. Denna studie sammanfattar de olika fördelarna med båda metoderna.Beslut om det mest fördelaktigaprocessalternativet kan göras utgående frånmöjligheterna från fall till fall(t.ex. spillvärmetemperaturer). CCSM-processen (ÅA-route) producerar magnesiumkarbonat (vattenfrioch trycksatt karbonatisering) och magnesiumkarbonathydrat (MCH, karbonatiseringi vätskelösning). Beroende på förhållandena kanMCH falla ut somnesquehonite, lansfordite och
iiihydromagnesit. Nesquehonite desorberar kristallvattenoch bildarmagnesiumkarbonat enligt reaktionen nedan, vilket ger en värmeeffekt som är tillräcklig för lagring av termisk energi:
MgCO3 + 3H2O(g) ↔MgCO3∙3H2O
ΔH = -1.0 MJ/kg MgCO3∙3H2O, T=298K
Denna reaktion har betydligt lägre driftstemperaturer ände flesta andra kemiska abs-/adsorberande material och salter. Utöver denna fördel, fungerar MCH även som brandskyddsmedel. Desorptions-/ dehydratiserings-temperaturerna är 60-70 °C, och adsorption / hydratisering är möjlig vid temperaturområdet 5-25 °C. Dennastudieföreslår dock att materialet bör blandas med kiselgel för tillräcklig kinetik. Värmelagring genom abs-/adsorption går ut på attanvända sol (eller annan förnybar värmekälla) för att värma upp det absorberande materialet under sommaren där energi kan släppas ut (hydratisering) under vintern. I denna studie presenteras tvåolikakoncept. Det första är ett slutet TES-system var berg-/jordvärmeanvänds som energikälla för att generera vattenånga. Det andra konceptet är ett öppet TES-system därvattenånga från inomhusluftenutnyttjas. Det öppna TES-systemet visade sig vara mera fördelaktigt och valdes för vidare studier. Kompositmaterialetsom utvecklades i denna studie, blandad nesquehonite (NQ) och kiselgel (SG), abs-/adsorberar vattenångaeffektivt vid hög (75%) relativ luftfuktighet,men betydligt sämre vid låg relativ fuktighet(25-50%). Dessa resultat erhöllsvid laboratorietest med småprovpå några gram bestående av granuler på 3-5mm. Maximalvärmekapacitet som kunde erhållas med detta material var 0,7 MJ/kg vid 25 °C och 0,36MJ/kgvid cirka 5 °C. Konceptet med öppetTES-systemet är baserat på en frånluftsvärmepump som sänker utloppstemperaturen(från inomhusluften) för att öka relativa fuktigheten. I syfte för att testa konceptet, byggdesen laboratoriepilot för testning av konceptets prestanda. Med detta (större)system erhölls en värmekapacitet på 0,41 MJ/kg vid 25 °C och 0,29 MJ/kg vid cirka 5 °C. Reaktionshastighetsdataerhållna från laboratoriepilotenanvändes ien simuleringsstudieav konceptet.I simuleringarna analyseradesmöjligheten (samt effektiviteten)attersättaelektrisk motståndsvärmemedTES-reaktorns värme (för attstödja värmepumpen) under vinterhalvåret. Det visade sig att cirka 70% av elektriska värmenvar möjlig att ersätta med TES, som innehållerMCH + kiselgel. Dessutom förbättrar systemet också ventilations-värmeväxlarens prestanda genom att eliminera frysproblemet på grund av torkad utloppsluft.