Effect of steam on the performance and stability of waste-derived materials used on a calcium-looping process for thermochemical energy storage

The exploitation of renewable energy sources is essential to reduce greenhouse gas emissions and solar energy stands out as a promising alternative to fossil fuels due to its ecological nature and abundance in countries such as Portugal and Italy. However, it has two main limitations: it is intermittent and unstable, which is a significant barrier to its large-scale use. Thermochemical energy storage systems (TCES) represent a promising solution through the application of Calcium Looping (CaL) technology, that offers advantages such as high energy storage density and the availability and low cost of natural CaCO3 and CaCO3-based wastes. The primary objective of this study is to assess the steam’s effect on the efficiency of waste-derived calcium materials such as Setubal limestone and Estremoz pink marble in the CaL process through experimental parameters such as calcination temperature, particle size, and steam fraction. The experimental part was conducted in a fluidized bed reactor and divided into three partes. The first includes 16 individual calcinations in every possible combination of temperature (915 ºC and 930 °C), grain size (250-355 µm and 355-500 µm) and steam fraction [0% and 10%] to select the reaction time for further experiments. The second includes 10 calcination-carbonatation cycles experiments to evaluate the effect of the calcination temperature, particle size and steam fraction [5% and 10%] on the conversion of CaO during cycles through a factor design. Lastly, the third includes 10 cycles experiments at the selected temperature and grain size (930°C and 250-355 µm) to assess the steam’s effect on the performance of CaL for different steam fractions (0%, 3%, 5%, 10%, 15%, 20%); and 20 cycles experiments under optimal conditions (930°C, 250-355 µm and 5% steam) to test the efficiency and deactivation of CaL on longer tests. In addition, XRD, SEM and N2 sorption techniques were used to characterize samples before and after cycles. The objective of this study was reached as results showed that steam increases the efficiency of the CaL process and has a more significant impact on pink marble material than on limestone. However, further studies are still needed to bring the CaL- CSP technology to a commercial level.

Lo sfruttamento di fonti energetiche rinnovabili è essenziale per ridurre le emissioni di gas a effetto serra nel l'ambiente e l’energia solare emerge come una promettente alternativa ai combustibili fossili, grazie alla sua natura ecologica e all'abbondanza in paesi come il Portogallo e l'Italia. Tuttavia, presenta due principali limitazioni: è intermittente ed instabile, che costituisce un ostacolo significativo al suo impiego su larga scala. Una soluzione promettente è rappresentata dai sistemi di immagazzinamento del l'energia termochimica (TCES) tra cui la tecnologia Calcium Looping (CaL), che offre vantaggi quali un'elevata densità energetica e la disponibilità e il basso costo del CaCO3. Lo scopo principale di questo studio è valutare l'effetto del vapore sull'efficienza dei materiali di rifiuto calcici derivati, come il calcare di Setubal e il marmo rosa di Estremoz nel processo CaL attraverso attraverso parametri sperimentali quali la temperatura di calcinazione, la dimensione delle particelle e la frazione di vapore. La parte sperimentale è stata condotta in un reattore a letto fluidizzato e comprende 16 calcinazioni individuali in ogni combinazione possibile di temperatura (915°C e 930°C), granulometria (250-355 µm e 355-500 µm) e frazione vapore [0% e 10%] per selezionare il tempo di reazione; esperimenti di 10 cicli di calcinazione-carbonatazione per valutare l'effetto della temperatura di calcinazione, dimensione delle particelle e frazione vapore [5% e 10%] sulla conversione del CaO durante i cicli; esperimenti di 10 cicli a temperatura e granulometria ottimali (930 °C e 250-355 µm) per verificare l'effetto del vapore sulle prestazioni di CaL per diverse frazioni di vapore (0%, 3%, 5%, 10%, 15%, 20%); ed esperimenti di 20 cicli in condizioni ottimali (930 °C, 250-355 µm e 5% vapore) per testare l'efficienza e la disattivazione del CaL su periodo prolungato. Inoltre, le tecniche di sorbimento XRD, SEM e N2 sono state utilizzate per caratterizzare i campioni prima e dopo i cicli. L'obiettivo di questo studio è stato raggiunto in quanto i risultati hanno dimostrato che il vapore aumenta l'efficienza del processo CaL e ha un impatto più significativo sul marmo rosa che sul calcare. Tuttavia, sono ancora necessari ulteriori studi per portare la tecnologia CaL-CSP a un livello commerciale.