Potential for utilizing hydrophobic nanosilica encapsulated CaCl2 as thermal energy storage

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-04-25

Department

Major/Subject

Industrial Energy Processes

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Advanced Energy Solutions

Language

en

Pages

43

Series

Abstract

This thesis explores the potential for utilizing nanosilica (SiO2) encapsulated calcium chloride (CaCl2) as a sorption-based thermal energy storage medium, particularly with industrial applications in mind. The first objective of the thesis is to understand the nature of this technology and to identify how and where it could be utilized. The second objective is to evaluate the theoretical performance of a thermal energy storage system based on this technology and, where possible, compare it to thermal storage systems that are currently used. The thesis includes a literature review on thermal energy storage technologies in general and a more detailed examination of the study by Aleksi Barsk et al. on nanosilica encapsulated calcium chloride, which serves as a theoretical foundation for this work. A simple computational model of the thermal storage system was implemented using MATLAB. The model takes temperature and air humidity as input parameters and calculates the total amount of water absorbed by the storage material and the amount of thermal energy released as the storage discharges from its initial state to equilibrium. The industrial application chosen for the storage system to be implemented in was a plywood factory as there is large amount of humid air available from the veneer dryers suitable for discharging of the storage. The recovered heat can then be utilized in a district heating network. Savings from the storage system were calculated for a scenario involving a 20 MW district heating network, where all district heat is produced using electric boilers. The data used for the calculations included hourly data from a 20 MW district heating network in Southern Finland, 2024 electricity spot prices in Finland, and output information gained from the MATLAB model. Results were calculated for storage systems of different sizes and for three different cases: In the first case, the storage is in continuous use with a 12-hour storage cycle. In the second case, the storage is also in continuous use, but with a 48-hour storage cycle. The third case is a seasonal storage, where the system is charged during the summer and discharged once during the winter season. The results showed that, with an initial air temperature of 90 °C and 50% relative humidity from the plywood factory, the energy density of the storage system was 3.998 MJ/kg (1.111 kWh/kg). With a 10-ton storage system, this could theoretically result in annual savings of 163.5 k€ with a 48-hour cycle and up to 622.0 k€ with a 12-hour cycle. For a 500-ton seasonal storage system, the annual savings were 46.6 k€. Based on material costs, the estimated investment costs for the storage system ranged from 1,900 €/t to 75,900 €/t. Based on these results, a sorption-based thermal energy storage system in continuous use could potentially be highly profitable, whereas its use as a seasonal storage solution would not.

Tässä opinnäytetyössä selvitettiin nanosilikaan (SiO2) kapseloidun kalsiumkloridin (CaCl2) hyödyntämispotentiaalia sorptioon perustuvan lämpöenergian varastona, erityisesti teollisia käyttökohteita silmällä pitäen. Työn ensimmäinen tavoite on selvittää, millaisesta teknologiasta on kyse, sekä miten ja missä sitä voisi hyödyntää. Toinen tavoite on selvittää, kuinka hyvin teknologialla toteutettu lämpövarasto teoreettisesti toimii ja verrata sitä mahdollisuuksien mukaan tällä hetkellä yleisesti käytössä oleviin lämpövarastoihin. Työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus lämpövarastointiteknologioista yleisesti, sekä tutustuttiin tarkemmin Aleksi Barskin ym. tutkimukseen nanopiioksidiin kapseloidusta kalsiumkloridista, joka toimii pitkälti teoreettisena pohjana tälle työlle. Työssä toteutettiin yksinkertainen tietokonemalli lämpövarastosta MATLAB-ohjelmistolla, joka ottaa lämpötilan ja ilman kosteuden lähtöarvoina, ja laskee näiden perusteella varaston absorboiman veden kokonaismäärän sekä vapautuneen lämpöenergian määrän varaston täysin purkautuessa lähtötilanteesta tasapainotilaan. Teolliseksi käyttökohteeksi, johon varastoa lähdettiin soveltamaan, valikoitui vaneritehdas, jonka viilukuivureista saadaan paljon kosteaa ilmaa varaston käyttöä varten, sekä kaukolämpöverkko, johon varastosta saatu lämpö voidaan hyödyntää. Varastosta saadut säästöt laskettiin skenaariolle, jossa sitä hyödynnetään 20 MW kokoluokan kaukolämpöverkossa, jossa kaikki kaukolämpö tuotetaan sähkökattilalla. Datana laskentaan käytettiin Etelä-Suomessa 20 MW kokoluokan kaukolämpöverkon tuntidataa, vuoden 2024 Suomen sähkön spot-hintaa, sekä MATLAB mallista saatuja tietoja. Tulokset laskettiin eri kokoisille varastoille ja kolmelle eri tapaukselle: ensimmäisessä tapauksessa varasto on jatkuvasti käytössä, ja varastosykli kestää 12 tuntia (lataus 6 tuntia ja purku 6 tuntia). Toisessa tapauksessa varasto on myös jatkuvasti käytössä, mutta varastosykli kestää 48 tuntia (lataus vuorokausi ja purku vuorokausi). Kolmas tapaus on lämmön kausivarasto, jossa varasto puretaan vain yhden kerran talvikauden aikana ja ladataan kesäkauden aikana. Työn tuloksina saatiin varaston energiatiheydeksi vaneritehtaalta saatavan ilman 90 ℃ lämpötilan ja 50 % suhteellisen kosteuden lähtöarvoilla 3.998 MJ/kg (1.111 kWh/kg), jolla voisi teoriassa saavuttaa 10 tonnin kokoisella varastolla 163.5 t€ vuosittaiset säästöt 48 tunnin varastosyklillä ja jopa 622.0 t€ vuosittaiset säästöt varastointisyklin ollessa 12 tuntia. 500 tonnin kokoisella kausivarastolla vuotuiset säästöt jäivät 46.6 tuhanteen euroon. Varaston investointikustannuksiksi arvioitiin materiaalikustannusten perusteella 1 900 €/t – 75 900 €/t. Tulosten perusteella jatkuvassa käytössä oleva sorptiolämpövarasto voisi olla jopa erittäin kannattavaa, mutta kausivarastona ei.

Description

Supervisor

Holmberg, Henrik

Thesis advisor

Laukkanen, Timo

Keywords

thermochemical energy storage, sorption, CaCl2, nanosilica, industrial application, district heating

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202505274075

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM