Experimental Performance Analysis of Salt in Matrix Composites for Thermochemical Heat Storage

Abstract

Thermochemical heat storage (THS) is a promising technology for improving the utilization from renewable energy sources due to its low heat losses, high energy storage density, and long-term heat storage capability. In that regard, synthesis of new sorption materials is critical for advancing THS systems in the future. This study aims to develop composite sorbents and perform energetic, exergetic, and hygro-cyclic analyses for performance comparison of the tested composite sorbents. In this study, nine different THS materials were synthesized using pumice and vermiculite as the host matrices, and CaCl2, LiCl, MgCl2, LiNO3 as the sorbent salts. The nine sorption materials developed and tested in this study are; P-CaCl2, V-CaCl2, P-LiCl, V-LiCl, P-MgCl2, V-MgCl2, P-LiNO3, V-LiNO3, and P-CaCl2-LiCl. All developed composite materials were tested over four consecutive cycles, and their energetic, exergetic, and hygro-cyclic performances were comparatively investigated. It is worth to mention that the developed pumice-salt composites are novel and have not been investigated previously. According to the results, the highest energy density of pumice composites was obtained with P-LiCl at 356 kWh/m3 , and the lowest was with P-LiNO3 at 150 kWh/m3 . Similarly, for vermiculite composites, the energy density was obtained highest with V-LiCl at 492 kWh/m3 , and lowest with V-LiNO3 at 205 kWh/m3 . Based on the general observation, the energy density of vermiculite based-salts was higher; however, the desorption capability was lower compared to pumice based-salts. In addition, P-CaCl2-LiCl had the highest energetic cyclic efficiency among pumice composites (90%), while P-MgCl2 had the lowest with 60%. The highest and lowest energetic efficiencies were found with V-LiCl and V-LiNO3 at 91 and 77%, respectively, for vermiculite composites. The highest exergetic efficiency was obtained with P-LiCl and V-LiCl at 12 and 18%, respectively. The lowest exergetic efficiency were obtained as 3% with P-MgCl2 and 6% with V-LiNO3. According to the testing results, hygro-cyclic efficiencies of pumice-based composites were found higher when compared to vermiculite-based composites. In addition, pumice-based materials showed high structural stability also good thermal performance, and sorption/desorption kinetics over repeating cycles. Whereas vermiculite-based materials showed lower structural stability and desorption capability than pumice composites. The study results showed that the P-CaCl2-LiCl composite provides the highest energetic and hygro-cyclic efficiencies among all the tested sorbents and shows a high exergetic efficiency. Therefore, it could be concluded that pumice based multi-salt composites could be promising THS materials. Further work could be performed in this area for development and optimization of new pumice based multi-salt composites. Keywords: Thermochemical Heat Storage, Salt in Matrix, Pumice, Vermiculite, Sorption, Desorption, Sorbent, Performance Analysis.Termokimyasal ısı depolama (THS), düşük ısı kayıpları, yüksek enerji depolama yoğunluğu ve uzun süreli ısı depolama potansiyeli nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırmak adına önem arz eden bir teknolojidir. Bu bağlamda, THS sistemlerini geliştirmek için sorpsiyon malzemeleri kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, kompozit sorbentler üretmeyi, test etmeyi ve test edilen kompozit sorbentleri enerjetik, ekserjetik ve higro-çevrimsel analiz yöntemleriyle karşılaştırmalı olarak incelemeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, konukçu matris olarak pomza ve vermikülit ve sorbent tuzları olarak CaCl2, LiCl, MgCl2, LiNO3 kullanılarak dokuz farklı THS malzemesi sentezlenmiştir. Çalışmada geliştirilen ve test edilen dokuz sorpsiyon materyali; P-CaCl2, V-CaCl2, P-LiCl, V-LiCl, P-MgCl2, V-MgCl2, P-LiNO3, V-LiNO3 ve P-CaCl2-LiCl’dir. Geliştirilen tüm kompozit malzemeler dört ardışık çevrimde test edilmiş ve enerjetik, ekserjetik ve higro-çevrimsel performansları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında geliştirilen tuz-pomza kompozitleri yenilikçi malzemeler olup literatürde daha önce incelenmemişlerdir. Çalışmada elde edilen sonuçlara göre, pomza kompozitleri için en yüksek enerji yoğunluğu P-LiCl ile 356 kWh/m3 , en düşük enerji yoğunluğu ise P-LiNO3 ile 150 kWh/m3 olarak elde edilmiştir. Benzer şekilde, vermikülit bazlı kompozitler için, enerji yoğunluğu en yüksek V-LiCl ile 492 kWh/m3 ve en düşük V-LiNO3 ile 205 kWh/m3 olarak bulunmuştur. Genel gözleme göre vermikülit bazlı tuzların enerji yoğunluğu pomza bazlı tuzlara göre daha yüksek ancak desorpsiyon kabiliyeti daha düşük bulunmuştur. Ayrıca, pomza kompozitleri arasında en yüksek ve en düşük çevrimsel enerji verimimine sahip sorbentler sırasıyla 90% ile CaCl2-LiCl ve 60% ile P-MgCl2 olarak belirlenmiştir. Vermikülit bazlı kompozitler için ise en yüksek ve en düşük enerji verimliliği sırasıyla 91% ve 77% ile V-LiCl ve V-LiNO3 kullanılan testlerde elde edilmiştir. En yüksek ekserji verimine sahip kompozitler sırasıyla 12% ve 18% ile P-LiCl ve V-LiCl olarak bulunmuştur. En düşük ekserjetik verim ise, 3% ile P-MgCl2 ve 6% ile V-LiNO3 kullanıldığı duruma elde edilmiştir. Test sonuçlarına göre, pomza esaslı kompozitlerin higro-çevrimsel verimleri, vermikülit esaslı kompozitlere göre daha yüksek bulunmuştur. Ek olarak, pomza bazlı malzemeler yüksek yapısal ve çevrimsel stabilite, ayrıca etkin ısıl performans ve sorpsiyon/desorpsiyon kinetiği göstermiştir. Vermikülit esaslı malzemelerin ise, pomza kompozitlerine göre daha düşük yapısal stabilite ve desorpsiyon kabiliyetine sahip olduğu görülmüştür. Çalışma sonuçları, P-CaCl2-LiCl kompozitinin, test edilen tüm sorbentler arasında en yüksek enerjik ve higro-çevrimsel verimliliğe sahip olduğunu ayrıca ekserji veriminin de etkin bir değerde olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, pomza esaslı tuz karışımlı kompozitlerin yüksek performanslı sorbentler geliştirme yönünde etkin bir yöntem olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu sebeple bu tür malzmelerin geliştirilmesi ve optimize edilmesi için ileri çalışmalar yapılması faydalı olacaktır. Anahtar Kelimeler: Termokimyasal Isı Depolama, Tuz Emdirilmiş Matris, Pomza, Vermikülit, Sorpsiyon, Desorpsiyon, Sorbent, Performans Analizi.