High performance thermal concrete with bauxite residue for energy storage applications.

Prosjektet har hatt til formål å utforske nye typer betong som egner seg til bruk i høy-temperatur energilagre. En målsetting har vært å kunne gjøre bruk av bauxitt-avfall (betegnet rødslam eller bauxite residue = BR) kombinert med kalsium-aluminat sement (CAC) og tilslaget er norsk olivin-stein. BR er et problematisk avfallsstoff fra aluminiumproduksjonen og består hovedsakelig av jern-oksyder som gir den karakteristiske rødfargen, og av silikater. Mengden av dette avfallsproduktet innebærer et betydelig internasjonalt problem og prosjektet sikter på å frembringe en positiv anvendelse for avfallet tilsatt i høytemperatur CAC-betong. BR har et høyt innhold av alkaliske forbindelser, og innledende eksperimenter med tilsetting av raffinert og tørket BR finstoff resulterte i forbedrede termiske egenskaper sammenlignet med ordinær CAC-betong. Et viktig og noe overraskende er funn er økt styrke for CAC-betong med BR tilsatt etter varmebehandling, som viser at BR er kjemisk reaktiv i betong ved høye temperaturer. Dette resultatet er motsatt fra tidligere publiserte resultater der BR i betong har gitt en betydelig reduksjon av styrke. En utfordring med ubehandlet BR fra aluminiumproduksjonen er den høye alkaliteten som medfører strenge prosedyrer for materialhåndtering, blande- og støpe prosesser. Metode og blandingsforhold utviklet i prosjektet muliggjør tilsetting av ubehandlet BR i CAC-betong, men sammenlignet med alkaliredusert raffinert BR er den forventede gevinsten ved økte termiske egenskaper lavere. Som konsekvens av dette har de videre aktivitetene i prosjektet fokuserte på alternative reaktive og inerte mikro-skala tilsetningsmaterialer for CAC betongen. Basert på diverse prøver er det konkludert at tilsetting av mineralet MgO gir de beste termiske og mekaniske egenskaper. En utfordring med CAC-betongen synes å være at den medfører ganske stor krymping under herding og oppvarming. I denne forbindelse er det utviklet alternative design for varmelagringselementene der krymping vil ha mindre betydning i samvirket mellom varmeoverføringsfluid og betong som har blitt patentsøkt. Ny kunnskap om produksjonsmetoder og materialets egenskaper samt karakteriseringsmetoder har blitt utviklet i prosjektet. SINTEF Byggforsk har stått for karakterisering av de mekaniske egenskapene opp til 595 grader, og i forbindelse med dette er det utviklet en metode for utledning av korrigerte elastiske moduler på basis av testing av standardiserte kubiske og sylindriske betongprøver. Termomekanisk stress-testing av prototype termiske elementer ble fullført i en laboratorie-pilot ved Energigune i Spania med lovende resultater. Virkningsgraden av de termiske batterielementene ble sammenlignet med numeriske simuleringer utført i prosjektet og det ble konstatert godt samsvar mellom teori og praksis. EnergyNest AS har samarbeidet med Sibelco Nordic AS om utviklingen av de nye betongblandingene. Norsk Hydro ASA har sørget for tilgang på BR, samt termisk karakterisering av de nye betongblandingene. Det har vært en stor motivasjon i prosjektet å forske og utvikle ny teknologi som forventes å få en vesentlig samfunnsmessig betydning for det grønne skiftet, og målet om «elektrifisering av industrien».

Prosjektet har med sitt fokus på storskala termisk energilagring søkt å utforske og teste nye betong-typer med forbedrede egenskaper for varmeledning, varmekapasitet og bestandighet ved høy temperatur. En målsetting har vært å kunne gjøre bruk av bauxitt-avfall (betegnet rødslam eller bauxite residue=BR) kombinert med kalsium-aluminat sement (CAC) og tilslaget er norsk olivin-stein. Metode og blandingsforhold utviklet i prosjektet muliggjør tilsetting av ubehandlet BR i CAC-betong, men sammenlignet med alkaliredusert raffinert BR er den forventede gevinsten ved økte termiske egenskaper lavere. Ny kunnskap om produksjonsmetoder og materialets egenskaper samt karakteriseringsmetoder har blitt utviklet i prosjektet. Resultatene har både vitenskapelig verdi og har et vesentlig potensial for storskala, kommersiell anvendelse som forventes å gi en vesentlig samfunnsmessig betydning for det grønne skiftet, og målet om elektrifisering av industri og CO2 reduksjon.

The idea of the research project is to create new concrete mixtures customized for high-temperature thermal energy storage applications using bauxite residue (BR), among other dispersed active or inactive micro-scale filler material, combined with calcium-aluminate cement (CAC) and olivine aggregates. BR is a waste product from the alumina production process, and contains many minerals and active components that may be very well suited for high performance thermal concrete. Sibelco Nordic is the worlds largest producer of refractory concretes based on CAC using olivine mined and sourced in Åheim, Norway. In particular the high content of hematite, alumina and silicon oxide in BR in combination with the very good thermal properties of olivine is expected to enhance the thermal conductivity, heat capacity and thermal integrity of targeted new concrete mixtures up to 600 °C, and even beyond. The new concrete mixture will be used for the Thermal Battery elements and modules of the EnergyNest large-scale energy storage technology.