< Terug naar vorige pagina

Project

Een grotere penetratie van hernieuwbare energiebronnen met variabele output in de energiemix zal de netstabiliteit verbeteren

1. Achtergrond 1.1. De behoefte en middelen voor stabilisatie van het elektriciteitsnet De voortgaande transitie in elektriciteit (energie) productie en gebruik zorgt voor een hoge druk op de bestaande elektriciteitsnetten. Niet alleen is er een verschuiving van een gecentraliseerde productie in grootschalige energiecentrales (zoals door fossiele brandstoffen aangedreven en kerncentrales) naar gedecentraliseerde productie, maar ook het intermitterende karakter van grote hernieuwbare energiebronnen vereist verzachtende maatregelen om grote problemen met de netstabiliteit te voorkomen en zelfs black-outs [1]. In die regio's waar wind en zonne-energie (fotovoltaïsche of geconcentreerde zonne-energie) een aanzienlijke rol spelen, wordt een aanzienlijke druk op het net verwacht, omdat met name stroom opgewekt door wind of PV's niet kan worden gecontroleerd of snel kan worden voorspeld. Om toekomstige black-outs in de EU, die in de komende decennia als een cruciaal risico worden beschouwd, te vermijden, is er grote politieke aandacht voor het nemen van maatregelen voor het in evenwicht brengen van het net [2], en is er een algemene consensus dat energieopslag op verschillende manieren kan spelen in de eerste plaats een rol als stabiliserend element in het systeem voor duurzame stroomvoorziening [3]. Er zijn verschillende opslagtechnologieën voorgesteld, van batterijen tot thermische energieopslag (verstandig, latent, chemisch) en uiteindelijk de productie van een opslagbare energiedrager, zoals waterstof- of biomassa-conversieproducten. Bio-energiedragers, plastic-vast-afval-naar-energie of thermische energieopslagtechnieken zijn perfect geschikt voor dit soort netbalancering. Voor biomassa of afvalbronnen kunnen de geproduceerde energiedragers op korte termijn worden opgeslagen en snel worden gebruikt via verbrandingsmotoren (IC) voor verbranding op korte termijn wat betreft een pyrolytisch gas of opslagbare pyrolytische oliën en chars voor balancering op lange termijn als (co-) brandstof in thermische centrales. De vooral in de winter benodigde back-up valt ook samen met een verhoogde warmtevraag, wat een ideale situatie is voor warmtekrachtkoppeling, zoals voorzien in het onderzoeksconcept. Integratie van verstandige / latente energieopslagtechnologie, met daaropvolgende elektriciteitsopwekking (Stirling, Brayton, Rankine-cycli) voor het balanceren van het net, zal perspectieven openen voor zowel middellange- als kortetermijnbalancering, aangezien de meeste variabiliteit in belasting en variabele opwekking wordt in evenwicht gehouden door productie-eenheden te verplichten tot verzending. Voorspelde en onvoorziene belastingen vereisen echter de beschikbaarheid van kortetermijnoplossingen om extra stroom aan het net toe te voegen of te verwijderen. Een extra conversie die aan belang wint, is de productie van waterstof door overtollig vermogen (wind, PV, zelfs nucleair) beschikbaar op het net [4]. Met een groeiende vraag naar H2 (brandstof of reactant in de petrochemische industrie), moet zowel de bekende elektrolyse (buiten het kader van het onderzoek) als de splitsing van thermaal water worden overwogen. Voor thermochemische energieopslag kunnen carbonaat-, hydroxide- of metaaloxide-overgangen worden gebruikt. De opgeslagen thermische energie is in de orde van grootte van MJ / kg reactant en de recycling kan indien nodig worden uitgevoerd (op tijd of zelfs in functie van de locatie). Een nieuwe voorgestelde oplossing en concept omvat het gebruik van overtollige elektriciteit (wind, PV of zelfs nucleair) om H2 te produceren als energiedrager met een warmtewaarde van ~ 140 kJ / kg [4]. Voorkennis, die meestal alleen op laboratoriumschaal wordt gepresenteerd, zal worden gebruikt voor de diepgaande beoordeling en validatie van de verbeterde technologie voor energieopslag / -verzending, die nodig is om het concurrentievermogen van deze technologie te versterken in vergelijking met andere conversiemogelijkheden. Op biomassa gebaseerde dragers komen in het proefschrift niet aan de orde, aangezien dit al in tal van onderzoeksinitiatieven wordt behandeld. Het gebruik van de thermochemische opslagmethoden en / of thermochemische conversies [5] zal voldoen aan de verwachte impact van een 'grotere flexibiliteit van het energiesysteem om de penetratie van een groter aandeel hernieuwbare energiebronnen met variabele output in de energiemix mogelijk te maken en tegelijkertijd het net te verbeteren stabiliteit'. 1.2. Ontwikkeling van slimmer, flexibeler en veerkrachtiger, inclusief energieopslagoplossingen Gezond verstand schrijft voor dat een hoge opwekking van elektriciteit door opgeslagen energie overdag moet worden vermeden, aangezien grootschalige elektriciteitscentrales, fotovoltaïsche installaties (PV) of windturbines dit voor een fractie (minder dan de helft) van de kosten kunnen doen. Dit is altijd van toepassing, ongeacht hoe het vermogen aan het net wordt verkocht: (1) als de prijs van elektriciteit een marktprijs weerspiegelt, dan wordt de dagprijs bepaald door de (zeer lage) marginale kosten van PV die beschikbaar zijn en voorafgaan andere processen voor de opwekking van hernieuwbare elektriciteit in de verdienste volgorde; (2) indien een 24/7 productie wordt aangevraagd met een vast tarief, zou de juiste oplossing een hybride PV-wind / energieopslaginstallatie zijn, die overdag met PV / wind produceert en anderszins met andere warmtedragers; (3) de oplossing moet ook rekening houden met seizoensinvloeden (winter-zomer), waar er ook in de winter een verhoogde warmtevraag is, waardoor WKK-processen worden begunstigd. Op de middellange termijn zal de netto belasting (vraag minus niet-flexibele productie) van elektrische systemen en markten 's middags sterk stijgen. Zoals vaak biedt Californië een goed voorspellend beeld van wat er daarna in andere delen van de wereld zal gebeuren. De beroemde 'Duck Curve' die de netto-vraag in Californië vertegenwoordigt, laat heel duidelijk zien hoe de bodems van de netto-belasting elk jaar rond 14.00 uur dalen, vervolgens erg steil toenemen en rond 21.00 uur een piek bereiken. Dit wordt bevestigd door de huidige kWh-prijzen in Duitsland (RWE), waar elektriciteit wordt verkocht tegen 0,08 € / kWh tijdens dalperiodes, maar wordt gekocht bij PYRUM Innovation tussen 17:00 en 23:00 uur en van 06:00 tot 09:00 uur om 0,25 € / kWh [6]. De meest benodigde - en dus waardevolle - elektriciteit wordt geproduceerd in een periode van ongeveer 5 tot 8 uur (vroeg in de avond, vroeg in de ochtend). Een andere relevante indicatie is de steile helling (en in mindere mate de snelle belastingvermindering) die van de flexibele energiecentrales wordt verlangd. De in de toekomst ontwikkelde technologie moet in staat zijn om te reageren op een dergelijke vereiste flexibiliteit, en benadrukt opnieuw de behoefte aan veelzijdige en middellange / lange-termijn technologieën voor energieopslag. Dit zal ook de doelstellingen definiëren van toekomstige geconcentreerde energiecentrales, wanneer de elektriciteit overdag zal worden geproduceerd, met thermische energieopslagdragers die het vermogen tijdens de piekperioden leveren. 1.3. Onderzoeksmogelijkheden KU Leuven, Campus Denayer, is onderzoekspartner van een Europees project binnen Horizon 2020 (2017-2021) rond geconcentreerde zonne-energiecentrales, in samenwerking met o.a. CNRS (FR), EDF (FR), EPPT-J. Baeyens (BE), Whittaker (UK) en anderen. Het H2020-project omvat de bouw en demonstratie van een hybride zonne-energiecentrale van 4 MWth (lucht-Brayton-turbine als top en stoom-Rankine-turbine als onderste cyclus). Prof. R. Dewil is coördinator van het onderzoeksgedeelte van de KU Leuven om de algemene LCA van het project te leveren. De laboratoria van prof. Dewil beschikken bovendien over de nodige apparatuur om warmteoverdrachtsmedia te testen, macro-TGA-experimenten uit te voeren en noodzakelijke analyses te maken. Binnenkort zal hij ook zijn experimentele faciliteiten uitbreiden met een zonnesimulator. Jan Baeyens, Prof.em. KULeuven en directeur van European Powder and Process Technology (EPPT), is actief betrokken bij het ontwerp en de engineering van de 4 MWth-proeffabriek, die later beschikbaar zal zijn voor onderzoek op proefschaal. Jan Baeyens coördineert bovendien de pilootfabriek voor geconcentreerde zonne-energie aan de Beijing University of Chemical Technology (geïnstalleerd in Qinhuandao). Binnen haar achtergrond, en gezien het eerdere onderzoek dat de kandidaat, Yimin DENG, heeft uitgevoerd op het gebied van hybride zonne-biomassa-energie en warmteopwekking, is het de bedoeling om nieuwe concepten voor het vastleggen / opslaan / omzetten van energie op meer fundamentele manieren te beoordelen. 2. Doelstellingen Gezien de nauwe samenwerking van de promovendi met CNRS (FR), Whittaker (UK), University of Birmingham (UK) en BUCT (CH), werd een programma opgezet dat een dergelijke samenwerking omvat. Hoewel zowel prof. Dewil als Baeyens betrokken zijn bij aanvullend onderzoek met PYRUM INNOVATIONS over biomassa en pyrolyse van kunststoffen, is het gebruik van biomassa-afgeleide energiedragers niet inbegrepen 2.1 Het gebruik van thermo-chemische energieobjecten op hoge temperatuur In een paper uit 2016 [7] van de copromotor van het voorgestelde doctoraat werd de state-of-the-art energieopslag bij hoge temperaturen beoordeeld en werd vastgesteld wat de behoefte is aan toekomstige ontwikkeling om een doorbraak te verzekeren. De meeste toepassingen van vandaag gebruiken verstandige en / of latente warmteopslag in gesmolten zouten of thermische olie. Faseveranderingen door fusie-stolling brengen een grote transformatiewarmte met zich mee, ongeveer 2 of 3 keer de voelbare warmtecapaciteit bij het gegeven temperatuurbereik. Passende omkeerbare thermochemische reacties werken normaal gesproken bij> 5 keer de voelbare warmte. Deze systemen worden in detail onderzocht, waarbij gebruik wordt gemaakt van omkeerbare chemische reacties. Typische voorbeelden die onderzocht zullen worden zijn de 6Mn2O3 -> 4Mn3O4 + O2 en 2Co304 -> 6CoO + O2 systemen. De deeltjesgrootte van de reactant (MOx) is erg belangrijk voor reactiekinetiek, recycleerbaarheid, thermodynamica en reactorontwerp. De volgende factoren zullen worden onderzocht. - Macro-TGA / DSC van de omkeerbare reacties (CDN) - Selectie van de meest geschikte systemen volgens 'Screening Index' -benadering [8, 9]; - Beoordeling van de fundamentele fenomenen van massaoverdracht; - de impact van hoogrenderende energieopslag op het ontwerp van geconcentreerde zonne-energiecentrales; - Voer metingen van warmteoverdracht en reactiemechanismen uit in een omkeerbaar thermochemisch reactiesysteem, ook met behulp van PET- en PEPT-metingen van de onderliggende mechanismen bij Univ. Birmingham (VK) [10] - Beoordeling van de bredere toepassing van hoge temperatuur warmteopslagpoeders in b.v. uitlaatgassen van staalfabrieken, cement- / kalkfabrieken, bakstenen ovens, enz.) om hun mogelijke gebruik voor een betere warmteterugwinning te onderzoeken; - Toepassing van zowel verstandige als thermochemische warmteoverdrachtsdeeltjes op de pilot zonne-energiecentrale in Qinhuandao (BUCT, China); - Eindevaluatie op zowel technische als economische gronden. 2.2 De zonne- of afval-energieproductie van H2 De enige thermische H2O-splitsing vereist te hoge temperaturen om economisch haalbaar te zijn, zelfs bij gebruik van afval of goedkope energie. Het huidige onderzoek zal daarom de H2O-splitsing bij 'lage' temperatuur onderzoeken met behulp van metaaloxiden (zoals Mn3O4) in een volledig omkeerbare bedrijfsmodus. De MOx-materialen zijn namelijk ook toepasbaar bij energieopslag bij hoge temperatuur, maar de valentie verandert in aanwezigheid van H2O-damp. Experimenten zullen starten met de Mn3O4 - Na2CO3 - H2O systemen (750 - 800 ° C) en verder onderzoek doen naar andere MOx systemen, zoals V-Ce-oxydes. Nogmaals, de hydrodynamica van het contact tussen waterdamp en vaste reactant is belangrijk en de stapsgewijze benadering van 2.1 zal worden herhaald. Voor de PET-tests aan de Universiteit van Bham wordt 15O-getraceerde H2O toegepast. De verschillende stappen van het omkeerbare MOx + H2O-systeem worden onderzocht en geoptimaliseerd. Een doelstelling T onder 800 ° C is de doelstelling, aangezien dit de T is die kan worden bereikt in geconcentreerde zonnetorens, afval-energiesystemen (staalfabrieken, calciners) en kerncentrales. De volgende factoren worden allemaal onderzocht. - Literatuuronderzoek van toepasbare metaaloxiden en selectie van de meest geschikte systemen volgens de 'Screening Index' -benadering [8, 9]; - Macro-TGA-beoordeling van de reversibele reacties (CDN); - Uitvoeren van metingen van warmteoverdracht, reactiemechanisme en omkeerbaarheid van de MOx + H2O reactiesystemen, ook gebruikmakend van PET en PEPT metingen bij Univ. Birmingham (VK) [10]; - Demonstratie van het concept in de pilot zonne-energiecentrale in Qinhuandao (BUCT, China); - Eindevaluatie op zowel technische als economische gronden. 3. Verwachte resultaten 3.1. Verspreiding en exploitatie van resultaten (vereist in een proefschrift aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen) De promovendus is zich er volledig van bewust dat een verspreidings- en exploitatieplan uiterst belangrijk is om de projectresultaten onder de aandacht te brengen en de toekomstige exploitatie en impact van het project te maximaliseren. Verspreiding en exploitatie zullen voornamelijk gericht zijn op: (1) het creëren van bewustzijn van het project; (2) het verspreiden van resultaten die zijn verkregen door actieve publicatie in tijdschriften en congresverslagen; (3) De wetenschappelijke gemeenschap, belanghebbenden en besluitvormers bewust maken van het mogelijke gebruik van de innovatieve multi-actorbenadering die in het project is ontwikkeld; (4) Creëer de basis voor de exploitatie van de te behalen resultaten. De betrokkenheid vanaf het begin van het onderzoek van belangrijke industriële en institutionele actoren zoals CNRS, EDF, ENGIE zal deze taak vergemakkelijken. 3.2. Herziening van het programma 1. literatuurstudie 1.1 Netstabilisatie 1.2 Energieopslag in het algemeen 1.3 Thermo-chemische energieopslag (omkeerbare reacties) TCES 1.4 Waterstofproductie 2. Experimentele onderzoeken voor TCES 2.1 Warmteoverdracht en reactiemechanismen in omkeerbare thermochemische reactiesystemen 2.2 Selectie van reactorsystemen op basis van - 'Screening Index' -benadering - Positronemissietomografie (U. B'ham) 2.3 Toepassing van thermochemische deeltjes in de BUCT-zonnepilootfabriek in Qinhuangdao (CN). 2.4 Bredere toepassing van warmteopslag bij hoge temperatuur in uitlaatgassen van staalfabrieken, cement- / kalkfabrieken, bakstenen steenovens, enz. 3. Experimentele onderzoeken naar de productie van medium-T H2 3.1 Selectie van geschikte MOx / H2O-reacties 3.2 Bereiding van MOx-deeltjes (macro, micro, nano) 3.3 Productie van H2 in een macro-TGA elektrische oven 3.4 Toepassing van PET om systeemhydrodynamica te bestuderen 3.5 Balansen voor warmte- en massaoverdracht 4. Beoordeling van mogelijke opschaling 4.1 Toepassing van TCES in CSP en industriële afvalwarmtebewerkingen 4.2 Proef / Grootschalige productie van H2 door MO¬X / H2O-systemen - Potentieel van CSP-fabrieken - Evaluatie van kosten / baten 5. Valorisatie van onderzoek 5.1 Eindevaluatie op zowel technische als economische gronden 5.2 Discussie met industriële belanghebbenden 5.3 Rapportage / publicaties / PhD-berekening / redactie / verdediging Referenties 1. European Court of Auditors, EU support for energy Storage, Briefing Paper, April 2019 2. European Parliament, Policy Department for Economic, Scientific and Quality of Life Policies, Directorate-General for Internal Policies, Sector coupling: how can it be enhanced in the EU to foster grid stability and decarbonise? (2018) 3. Arasto A., Chiaramonti D., Kiviluoma J., van den Heuvel E., Waldheim L., Maniatis K., Sipilä K., Bioenergy’s role in balancing the electricity grid and providing storage options – an EU perspective, IEA Bioenergy (2016) 4. Raes L. ENGIE Nuclear facility in Doel and projected H2 facility in Zeebrugge - internal memo, May 2020 5. Shuo L, Kang Q, Baeyens J, Zhang H, Deng Y. Hydrogen production: State of technology. ICESE-Vienna 2020 'IOP Conference Series: Earth and Environmental Science' 6. Klein P., Andresen A-K. The PYRUM INNOVATION recycling of End-of-Life Tyres. In: Design Project CIT-KULeuven, 2019-2020. 7. Zhang H, Baeyens J, Cáceres G, et al. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 2016, 53:1-40. 8. Kang Q, Flamant G, Dewil R, et al. Particles in a circulation loop for solar energy capture and storage[J]. Particuology, 2019, 43: 149-156. 9. Deng Y, Dewil R, Baeyens J, Ansart R, Zhang H. The “Screening index” to select building-scale heating systems. ICESE-Vienna 2020 'IOP Conference Series: Earth and Environmental Science'. 10. Deng Y., Seville JPK., Ansart R., Baeyens J., et al. Using 11C-Positron Emission Tomography to image dynamic CO2 flows in a gas-solid fixed adsorption bed system, Chemical Engineering Journal (under review).

Datum:23 jun 2020  →  Heden
Trefwoorden:Thermo-chemical energy storage, Hydrogen production, Positron emission tomography, Pilot/Large-scale production of H2
Disciplines:Hernieuwbare energie en energiesystemen, Waterkrachtenergie, Zonne-energie, Chemisch proces design
Project type:PhD project