Material and system development for high temperature thermal energy storage

EnergyNest har utviklet og demonstrert en ny teknologisk løsning for storskala lagring av termisk energi i fast-stoff med langt bedre ytelse enn tidligere oppnådd i høytemperatur varmelager. Konseptet betegnes «termisk batteri», og er både komplementært til elektriske batterier og i noen tilfeller også et billigere alternative til slike batterier. Termisk energi lagres i en helt spesiell type betong som betegnes: HEATCRETE. Vårt termiske energilager (TES på engelsk) system består av mange mindre individuelle termiske "batterielementer", som kobles sammen til en effektiv systemløsning. Elementene har innstøpte varmevekslerrør og er omgitt av en stålkappe som er både forskaling og betongarmering. Varmen føres inn og ut av lageret ved hjelp av vann, damp, olje eller gass som strømmer gjennom varmevekslerne under høy temperatur. De termiske batteriene kobles sammen i moduler som igjen kan stables oppå eller ved siden av hverandre, som i et "Lego-system"; på denne måten kan man effektivt etablere et energilager av nesten ubegrenset kapasitet. Forskningsprosjektet sikter på å utvikle ny kunnskap om nye, innovative materialer som er spesielt egnet for termisk energilagring. En viktig målsetning er å utforske og utvikle nye sementbaserte geo-materialer som er egnet for termisk energilagring ved høye temperaturer opp til 600 grader, eller enda høyere. Termiske og mekaniske egenskaper for flere forskjellige betongoppskrifter er blitt testet ut. Spesielt to typer materialer er utviklet og testet ved høye temperaturer. Det er utviklet en matematisk modell for predikering av termiske egenskaper for heterogene, granulære materialer og resultatene sammenlignet med testmålinger. Modellen baserer seg på materialdata for sementpastaen og tilslagsmaterialene hver for seg. Formålet er å kunne forutsi hvilke egenskaper en valgt betongoppskrift oppnå. Sluttresultatene fra prototype- testingen vil også bli sammenlignet med simulert ytelse. Videre har prosjektet har utviklet nye TES systemdesign-løsninger for best mulig å nyttiggjøre og optimalisere bruken av de nye materialene ved høytemperaturanvendelser.

The project has led to increased knowledge and competence on thermal concretes for the company and partners related to the following results: 1) New calcium-aluminate and new geopolymer concretes for high thermal energy storage (TES) applications. Developed, characterized, fabricated and tested using high-temperature cycling. 2) New TES system designs for operation with superheated steam for conventional power plants and energy intensive industries (patent filed). It is hoped that the results will have a significant impact on Europe's energy-intensive industry and thermal power plants, which share a common challenge: they waste large amounts of valuable, high-temperature heat/energy into the atmosphere. The developed Thermal Battery system provides an efficient solution to recover, store, and reuse such wasted energy. This will significantly reduce energy costs, carbon emissions to the atmosphere and provides increased operational flexibility and better use of renewable power sources.

EnergyNest has developed, and demonstrated, a novel technology for storing thermal energy in solid-state medium that has many advantages over prior art. Thermal energy is stored in a state-of-the-art solid-state concrete based storage medium; Heatcrete. A thermal energy storage (TES) system is made of a large number of individual thermal "battery" elements, connected through pipes in series and parallel. An element consists of Heatcrete with integrated heat exchanger tubes contained inside a steel casing. A heat-transfer fluid flows inside the heat exchanger tubes, where the majority of heat transfer is convective. Heat transfer through the solid media is conductive. Multiple elements are stacked inside a steel frame, termed Module, and Modules are stacked vertically and horizontally to form a complete TES system. The fundamental idea is to develop a robust, large-scale high temperature TES technology that is competitive on the international market and that will have a major impact in three strategic areas of the energy system: 1) Concentrating solar power (CSP); 2) Electric power system and 3) Waste heat from industries and thermal power plants. The project has strong ambitions for advances in material research as well as technological innovation. In the proposed project, the major new elements of the planned innovation are to: 1) Realize new cement mixtures and 2) develop and characterize new solid-state materials based on geopolymers and calcium-aluminates (new materials) as solid-state materials for TES systems operating at temperatures up to 600C and higher, and 3) Demonstrate, test, develop and optimize new TES system designs which will utilize these new materials.