熱化学エネルギー貯蔵により数か月後に第 3 世代太陽光発電を実現

投稿日2023年6月1日2023年6月1日著者スーザン・クレーマー

第 3 世代 CSP プラント自体のコストと比較すると、熱化学貯蔵装置と水素製造反応器を追加してもプラントコストはほとんど増加しませんでしたが、貯蔵期間が大幅に延長されるため、付加価値が大幅に高まりました。

通常、シンプルさは低コストに相当します。 しかし、第 3 世代集光型太陽光発電 (CSP) 用のマルチテクノロジー熱化学エネルギー貯蔵システムの開発者らは、その複雑な設計により、現在のように 1 ～ 2 日以内だけでなく、必要なときにいつでも太陽エネルギーを供給できるようになり、コストが削減されると主張しています。数週間後、数か月後。

このデュアル熱化学エネルギー貯蔵システムは、米国エネルギー省 Gen3 CSP 賞受賞者であるサンディア社がニューメキシコ州のヘリオスタット試験センターに建設中の先進的な CSP パイロット プラントと組み合わせる予定です。

最近着工したサンディアの Gen3 パイロットは、高温粒子貯蔵庫に供給する自由落下粒子受信機で構成されています。 これらの砂のような粒子は、閉じたブレイトン サイクル ループで実行される高効率の作動流体である超臨界 CO2 を加熱します。

暗くなった後に電力を供給するために、今日の商用 CSP は太陽エネルギーを溶融塩に蓄えます。 サンディアの Gen3 パイロットでは、代わりに粒子が使用されており、粒子はより高い温度でも安定しており、効率が向上します。 これにより、蓄熱から太陽エネルギーが通常 8 時間または 10 時間供給されます。

しかし、アリゾナ州立大学（ASU）の新しい研究では、エレン・ステッケル教授が太陽熱化学ポテンシャルの厳密な研究を主導しており、一対の熱化学酸化還元サイクルを追加することでLCOEを下げることができ、いつでもエネルギーを供給できることが示された。たとえ数か月後でも必要です。

「私たちのシステムの斬新な点は、年間を通じて発送可能性を保証するために 3 つのレベルの保管を提案していることです」と ASU の研究助手の Alberto de la Calle 氏は説明しました。

デ・ラ・カレ氏は、最近のSolarPACESカンファレンスでのプレゼンテーションと、年間を通じて供給可能性を保証するマルチレベル蓄電システムを備えた高温集光型太陽光発電所の技術経済分析の要約で、この新しいコンセプトの概要を明らかにした。

このアイデアは、毎日放出する熱エネルギー貯蔵にさらに 2 つのレベルの熱エネルギー貯蔵を追加し、1 つは最大 1 週間後まで貯蔵し、もう 1 つは必要な日に、場合によっては数か月先でもエネルギーを供給することです。 3 つのテクノロジーすべてにおいて、異なる方法でエネルギーを蓄積および放出します。 また、タイプごとに 1 つの熱入力に依存するのではなく、充電には複数のオプションがあります。

今日の商用 CSP のように、毎日の電力供給は蓄熱された熱を利用して行われますが、研究者らは独自のアプローチを採用して毎週および季節ごとに蓄熱エネルギーを充電します。

追加の 2 つのシステムは、熱化学サイクルの相乗的なペアを中心としており、1 つは化学的に長期熱を貯蔵し、もう 1 つは水素を生成します。

熱化学エネルギー貯蔵の概略図 IMAGE@ 年間を通じて供給を保証する多層式貯蔵システムを備えた高温集光型太陽光発電所の技術経済分析

Sandia Gen3 CSP の既存のデイリー ストレージ (レベル 1)。 粒子は「顕熱」（あなたが感じることができる熱）を蓄えます。 Gen3 熱エネルギー貯蔵タンク内の高温粒子は、サンディアの太陽ヘリオスタットのテストフィールドからの集中した太陽束がレシーバーを通過する際に加熱されます。 熱は超臨界二酸化炭素に伝達され、s-CO2タービンを作動させて発電します。 粒子貯蔵タンクは、1 日分の供給量を保持できるサイズです。

毎週の保管 (レベル 2): 熱化学的熱での保管を追加します。継続的に循環する熱化学プロセスでは、金属酸化物が熱で熱的に還元され (充電)、空気中で酸化される (放電) という 2 段階の酸化還元サイクルで熱が発生します。

「このプロジェクトの目的の1つは、このプロセスに最適な金属酸化物を見つけることです。私たちは、この種のサイクルですでに使用されているペロブスカイトであるCaAl0.2Mn0.8O3のテストを開始しました」とデ・ラ・カレ氏は語った。 。

熱化学エネルギー貯蔵用のこのジグザグ フロー リアクターには 3 つのオプションの充電モードがあります。 蓄熱タンクの熱とオフピーク電力だけで運転することも、オフピーク電力のみ（価格が安いとき）で運転することも、敷地内で製造した水素で化学的に還元することも可能だ。

「この貯蔵は粒子にもあります。しかし、これらの粒子は化学的に不活性ではありません」と彼は説明した。 「低酸素環境で 1000 °C まで加熱すると、粒子は格子から酸素を放出して反応します。粒子はタンクに保管されます。この保管庫を使用する必要があるとき、粒子は酸素と混合されます。2 番目の反応、つまり「酸化が起こり、熱が放出されます。この貯蔵庫は第 3 世代貯蔵庫と同様の容量を持ちますが、エネルギー密度はより高く、貯蔵時間は今週のオーダーで長くなります。」

この還元された金属酸化物に蓄えられた熱を回収するために、粒子からs-CO2への再酸化反応が起こる特別な熱交換器が設計されています。

季節保管用 (レベル 3): 水素リアクターを追加します。水素は、ASU のラビリンス炉でオンサイトで生成されます。これは、SolarPACES カンファレンスで発表された、水と二酸化炭素を分解し、オフピークのグリッド電力で動作する次世代熱化学設計です。

「この反応器では、還元反応は約 1500 °C で行われ、金属酸化物としてセリアを使用した場合の再酸化反応は約 1000 °C で行われます」と De la Calle 氏は述べています。

「レベル2の貯蔵庫との違いは、ここでは再酸化が水（蒸気）を使って行われることです。水の存在下で還元された金属酸化物は、水分子から酸素を抽出することによって水素を放出することができます。」

この反応器で水素が生成されると、レベル 2 の熱化学貯蔵庫で還元反応を促進するために必要になるまで容器に貯蔵され、最終的には s-CO2 サイクル電力ブロックを介して送電網に供給されます。 この水素は商品として送電網に販売することもできます。

2 つの熱化学反応の向流構成により、酸化還元材料として使用される金属酸化物の化学ポテンシャルの利用が最大化されます。

結果: レベル 3 の熱化学貯蔵からの発電による純利益が最高となる 年間を通じた発送可能性を保証するマルチレベル貯蔵システムを備えた高温集光型太陽光発電所の IMAGE@技術経済分析

このチームは、システムが毎日の日照時間に関係なく、夏でも冬でも一年中、毎日少なくとも 8 時間の太陽光発電が可能であることを示しました。

「このシステムは独自の柔軟性を備えており、最も都合の良いときに電力を売買したり、運営コストと資本コストを相殺する商品として水素を販売したりすることができます。オフピークの電力コストを差し引いた水素収益だけで、設備投資を補うことができます。 " 彼が説明した。

第 3 世代 CSP プラント自体のコストと比較すると、熱化学貯蔵装置と水素製造反応器を追加してもプラントコストはほとんど増加しませんでしたが、貯蔵期間が大幅に延長されるため、付加価値が大幅に高まりました。

第 3 世代 CSP プラント自体のコストと比較すると、熱化学貯蔵装置と水素製造反応器を追加してもプラントコストはほとんど増加しませんでしたが、貯蔵期間が大幅に延長されるため、付加価値が大幅に高まりました。

「当社のマルチレベル貯蔵システムを基準ケースと比較して、当社のシステムが優れているか劣っているかを確認するために、ベースラインとして異なる太陽光発電倍率と異なる貯蔵容量を使用して、毎日の貯蔵のみを使用して CSP プラントの LCOE を計算しました。システムの LCOE を削減しますが、年間を通じてのディスパッチ可能性も保証します。」 デ・ラ・カル氏は語った。 「当社の 3 レベル システムの LCOE はベースラインより 16% 低いことがわかりました。」

この LCOE 削減の鍵となったのは、2 つの (レベル 1 および 2) 熱化学貯蔵システムを追加するための比較的少ない追加コストで、より価値のある毎週および季節貯蔵を実現できることでした。

さらに読む:「熱化学エネルギー貯蔵用ジグザグフロー反応器の開発と試験」Rhushikesh Ghotkar、SolarPACES Conference 2022

「ASU での水/CO2 分解用ラビリンス熱化学反応器の開発とテスト」イワン エルマノスキー、SolarPACES Conference 2022

高温粒子から sCO2 への熱交換器の代替設計の評価 C.Ho 他、Journal of Solar Engineering、2019

貯蔵された熱化学エネルギーを回収するための反応性粒子から sCO2 への熱交換器の熱力学解析 s-CO2 欧州会議議事録、2023 年

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