SLAGSTOCK – Preiswerte thermische Energiespeichersysteme basierend auf rezyklierten Abfällen der Stahlindustrie

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501231
• Projekttitel Englisch: SLAGSTOCK – Low-cost Sustainable Thermal Energy Storage Systems Made of Recycled Steel Industry Waste

Schlüsselwörter (Deutsch)

CSP, konzentrierte Solarenergie, Hochtemperaturspeicher, Thermischer Speicher, TES

Schlüsselwörter (Englisch)

CSP, Solar Energy, Thermal Storage, High temperature thermal storage, TES

URL-Adressen (Englisch)

http://www.reslag.eu/

Schlussbericht (Deutsch)

Von zentraler Bedeutung für konzentrierende Solarkraftwerke ist die Speicherung der Solarwärme zur Entkoppelung der Zeiten der Solarstromerzeugung von den Zeiten der Sonneneinstrahlung, was eine Anpassung der Produktion an den Strombedarf erlaubt. Stand der Technik ist die Speicherung in geschmolzenen Nitratsalzen, die jedoch gravierende Nachteile wie eingeschränkter Temperaturbereich (typisch 290?565 °C) und latente Gefahr des Einfrierens, hohe Salzkosten und relativ hohe CO2-Belastungen bei der Herstellung aufweisen. Im SOLAR-ERA.NET-Projekt «SLAGSTOCK» wird ein vielversprechendes Alternativkonzept untersucht: die Verwendung von metallurgischem Schlackengranulat als Festbett in einem grossen Speichertank, der vom Wärmeträgermedium (Luft oder Salzschmelze) durchströmt wird und jeweils während der Sonnenstunden aufgeheizt (geladen) und nach Bedarf zur Stromerzeugung abgekühlt (entladen) wird. Sechs Partner aus vier Ländern studierten dazu die verschiedenen Aspekte eines derartigen Speicherkonzeptes inklusive der Realisation eines 1 m3-Versuchstanks gefüllt mit Schlackengranulat für die Speicherung von etwa 350 kWhth aus heisser Luft. Der globale Stahlkonzern ArcelorMittal stellte die metallurgischen Schlacken zur Verfügung, die auf zwei verschiedenen Wegen in das für den Speicher geeignete Granulat von wenigen cm Korngrösse aufbereitet wurden. Gleichzeitig wurden die relevanten physikalischen Eigenschaften des Granulats bestimmt, die Verträglichkeit der Schlacke mit Salzschmelze und Luft untersucht sowie industrielle Speichertanks für 1 GWhth simuliert, insbesondere ihre Ladung und Entladung. Die Rolle des Schweizer Forschungspartners PSI bestand zum einen in der Modellierung des Verhaltens eines solchen Tanks mit Salzschmelze als Wärmeträgermedium und zum anderen in der Erstellung einer Ökobilanz (LCA) des neuen thermischen Speicherprozesses, welche klar die ökologischen Vorteile des neuen Konzepts gegenüber dem heutigen 2-Tank-Salzschmelze-Speichersystems aufzeigt. Je nach betrachtetem Detailkonzept wird grob eine Halbierung der äquivalenten CO2-Emissionen des Speichersystems prognostiziert. Die Resultate von «SLAGSTOCK» fliessen unter anderem in das verwandte grosse EU-Projekt «RESLAG» ein, von dem aus die weitere Entwicklung des neuen Verfahrens erfolgen könnte.

Zugehörige Dokumente

• SLAGSTOCK | Thermische Energiespeichersysteme basierend auf rezyklierten Abfällen der Stahlindustrie - Schlussbericht [PDF] 1'565 kB
• Life Cycle Assessment [PDF] 4'164 kB
• 001 SLAGSTOCK: Low-Cost Sustainable Thermal Energy Storage Systems Made of Recycled Steel Industry Waste [PDF] 56 kB

Schlussbericht (Englisch)

A key component of modern concentrating solar power plants is a thermal storage unit, which allows adapting the production to the needs by decoupling the energy collection during sunny hours from the power production hours. State of the art is a storage in two tanks via molten nitrate salts, which, however, faces a couple of drawbacks including limited operation temperature (typically 290?565°C), danger of salt freezing, high costs and high CO₂ footprint of the salt production. In the SOLAR-ERA.NET project „SLAGSTOCK”  a promising alternative thermal storage concept is investigated: the use of one large storage tank filled with a packed bed of metallurgical slag pebbles, through which the heat transfer fluid (molten salt or air) flows and which is heated (charged) during the sunny hours and is cooled (discharged) as needed to generate electricity. Six partners from four countries have investigated the major aspects of the new process including the realisation of a 1 m³ test tank for storing about 350 kWh_th from hot air. The global steel manufacturer ArcelorMittal provided the metallurgical slags, which were processed by two alternative routes to few cm sized slag pebbles suited for the packed bed. In parallel studies of the relevant physical properties of the pebbles were conducted, the compatibility of the slag with molten salt and hot air was investigated and the behaviour of industrial sized storage tanks (for 1 GWh_th) was modelled, considering charging and discharging cycles. The specific work of the Swiss partner PSI consisted in the modelling of the storage tank with molten salt as heat transfer fluid and in the performance of a life cycle assessment (LCA) for the new process, clearly demonstrating the advantages of the new process compared to the established 2-tank molten salt process. Depending on the detailed process variant the equivalent CO₂-emissions can be approximately reduced to one half. The results of „SLAGSTOCK”  are amongst others contributing to the related large EU-project „RESLAG”, from which the further development of the innovative slag based thermal storage process might take place.

Schlussbericht (Französisch)

Un aspect majeur des centrales solaires est le stockage de la chaleur solaire pour découpler les heures de production d'électricité solaire de la présence du soleil, ce qui permet d'ajuster la production a la demande. Le stockage de l'art antérieur dans les sels de nitrate fondu, cependant, présentent des inconvénients graves tels que la gamme de température limitée (généralement 290?565 °C) et le danger de la solidification, les coûts élevés de sel et la production de CO₂ relativement élevées dans sa fabrication. Le projet SOLAR-ERA.NET « SLAGSTOCK »  étudie un autre concept prometteur: l'utilisation de granules de mâchefer métallurgique sous forme de lit fixe dans un grand réservoir, qui est traversé par le fluide chaud (air ou sel fondu) et chauffé au cours de la journée et est refroidie pour la production d'énergie. Six partenaires de quatre pays étudiés les aspects divers de cette stratégie de stockage, y compris la réalisation d'un réservoir d'essai 1 m³ de mâchefer granulé pour stocker environ 350 kWh_th. ArcelorMittal a présenté le mâchefer métallurgique disponible qui a été préparé de deux façons différentes en granules de quelques centimètres. En parallèle, les propriétés physiques pertinentes des granules ont été déterminées pour examiner la compatibilité du mâchefer avec les deux fluides chauds considéré, sel fondu et de l'air et la charge et la décharge des réservoirs de stockage industriels pour une GWh_th ont été simulé. PSI, partenaire suisse, a modelé le comportement d'un tel réservoir avec du sel fondu comme fluide chaud et a accompli une évaluation du cycle de vie (ACV) du nouveau processus de stockage thermique, qui démontré les avantages environnementaux de la nouvelle approche. Selon le concept détaillé considéré, il est prévu de partager les émissions de CO₂ équivalentes du système de stockage. Les résultats du projet « SLAGSTOCK »  vont faire partir du projet UE « RESLAG » qui poursuite le développement du nouveau processus.