Publikation

HePoStAl – Heat and Power Storage in Aluminum

Es wurde eine Machbarkeitsstudie durchgeführt zur Beurteilung der Möglichkeit, mit Hilfe eines Aluminium Redox-Zyklus Energie saisonal zu speichern. Zur Beladung des Speichers wird oxidiertes Aluminium mit Hilfe von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien im Sommer in einer zentralen Aufbereitungsanlage reduziert in seine Grundform. Die Entladung erfolgt im Winter am Ort des Energiebedarfs, über eine Reaktion des Aluminiums mit Wasser. Diese Reaktion setzt Wärme, Wasserstoff und Aluminium-Hydroxid oder Aluminium-Oxid frei. Der Wasserstoff kann zum Zeitpunkt der Speicher-Entladung sofort in einer Brennstoffzelle umgesetzt werden zu Strom und Wärme.

 

Betrachtet wurde dieser Pfad der Energiespeicherung als Ergänzung eines Energiesystems für ein Einfamilienhaus, welches zu 100% mit Solarenergie versorgt werden soll. Die gebäudeintegrierte Photovoltaik liefert während des grössten Teils des Jahres in Kombination mit einer Wärmepumpe und konventionellen Kurzzeitspeichern sowohl Strom als auch Wärme für das Gebäude. Im Sommer werden Stromüberschüsse an eine zentrale Anlage geliefert, welche Aluminium zur saisonalen Speicherung regeneriert. Dieses Aluminium wird ans Gebäude zurück geliefert, und dort im Winter oxidiert, und der entstehende Wasserstoff in einer Brennstoffzelle umgesetzt. Sowohl die dabei entstehende Reaktionswärme als auch die produzierte elektrische Energie werden verwendet, um den nicht durch die Photovoltaik abgedeckten Winterbedarf für Strom und Wärme des Gebäudes zu decken.

 

Die Abklärungen haben ergeben, dass die chemischen Teilschritte des Aluminium-Zyklus im Labormassstab bereits realisiert und demonstriert worden sind, und dass sowohl die Ökobilanz als auch die Kostenbetrachtung positiv sind. Die Herausforderung wird darin bestehen, die im Labor demonstrierten Teilschritte der Aluminium-Hydrolyse und der Reduktion von Aluminium mit Inert-Elektroden weiter zu optimieren für einen kontrollierbaren kontinuierlichen Betrieb oder Batch-Prozess, welcher als Grundlage für den Bau von Prototypen dienen kann, die im Feld eingesetzt werden können.

 

 

Résumé

 

Une étude de faisabilité a été réalisée pour évaluer la possibilité d'un stockage saisonnier de l'énergie à partir d'un cycle redox aluminium. Pour recharger le réservoir de stockage, l'aluminium oxydé est réduit à sa forme de base dans une usine de traitement centrale à l'aide de surplus d'électricité provenant des énergies renouvelables en été. Le déchargement s'effectue en hiver sur le lieu de la demande énergétique, par une réaction de l'aluminium avec l'eau. Cette réaction libère chaleur, hydrogène et hydroxyde d'aluminium ou oxyde d'aluminium. Au moment de la décharge du réservoir de stockage, l'hydrogène peut être immédiatement converti en électricité et en chaleur dans une pile à combustible.

 

Ce cheminement de stockage d'énergie a été considéré comme un complément au système énergétique d'une maison unifamiliale, qui doit être alimentée à 100% en énergie solaire. Le photovoltaïque intégré au bâtiment, en combinaison avec une pompe à chaleur et des systèmes conventionnels de stockage à court terme, fournit de l'électricité et de la chaleur au bâtiment pendant la majeure partie de l'année. En été, les surplus d'électricité sont livrés à une centrale qui régénère l'aluminium pour le stockage saisonnier. Cet aluminium est retourné dans le bâtiment, où il est oxydé en hiver et l'hydrogène qui en résulte est transformé en pile à combustible. La chaleur de réaction et l'énergie électrique produite sont utilisées pour couvrir les besoins en électricité et en chaleur du bâtiment, qui ne sont pas couverts par le photovoltaïque.

 

Les investigations ont montré que les réactions chimiques du cycle de l'aluminium ont déjà été réalisées et démontrées à l'échelle du laboratoire et que l'analyse du cycle de vie et l'évaluation des coûts sont positives. Le défi consistera à optimiser encore davantage les sous-étapes de l'hydrolyse de l'aluminium et la réduction de l'aluminium à l'aide d'électrodes inertes démontrées en laboratoire dans le cadre d'un procédé continu ou discontinu contrôlable, qui peut servir de base à la construction de prototypes pouvant être utilisés sur le terrain.

 

 

Summary

 

A feasibility study was carried out to assess the possibility of seasonal energy storage using an aluminum redox cycle. To charge the storage, oxidized aluminum is reduced to its basic form in a central processing plant with the help of surplus electricity from renewable energies in summer. Discharge is carried out in winter at the place of energy demand, through a reaction of aluminum with water. This reaction releases heat, hydrogen and aluminum hydroxide or aluminum oxide. At the time of storage discharge, the hydrogen can be immediately converted into electricity and heat with a fuel cell.

 

This path of energy storage was considered for an energy system for a single-family house, which is to be supplied with 100% solar energy. Building-integrated photovoltaics, in combination with a heat pump and conventional short-term storage systems, provide electricity and heat for the building during most of the year. In the summer, electricity surplus is delivered to a central plant that regenerates aluminum from aluminum hydroxide for seasonal storage. This elementary aluminum is returned to the building, where it is oxidized in winter and the released hydrogen is converted in a fuel cell. Both, the reaction heat generated and the electrical energy produced, are used to cover the winter demand for electricity and heat of the building, that remains after priority has been given to direct supply from PV, heat pump and storage.

 

The chemical steps of the aluminum redox cycle have already been carried out and demonstrated on a laboratory scale at different institutes. The investigations carried out in this current project have shown that both the life cycle assessment and the cost evaluation of the proposed system are positive. The challenge will be to further optimize the sub-steps of aluminum hydrolysis and the reduction of aluminum with inert electrodes demonstrated in the laboratory for a controllable continuous operation or batch process, which can serve as a basis for the construction of prototypes that can be used in the field.

Autorenschaft:
M. Haller, D. Carbonell, M. Dudita, D. Zenhäusern, 2019
Herausgeber:
SPF Institute for Solar Technology, Rapperswil
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