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Data documento: 23-02-2016

Novel honeycomb design for better thermochemical energy storage capabilities
Un nuovo design a nido d’ape per migliori capacità di immagazzinamento dell’energia termochimica

EU-funded researchers have successfully designed and validated an innovative redox thermochemical energy storage reactor/heat exchanger that promises to make a concrete contribution to the EU’s energy and climate change ambitions.
Ricercatori finanziati dall’UE sono riusciti a progettare e verificare un innovativo reattore/scambiatore di calore per l’immagazzinamento di energia termochimica a ossidoriduzione che promette di dare un contributo concreto alle ambizioni dell’UE nell’ambito dell’energia e dei cambiamenti climatici.

The RESTRUCTURE project, which officially ended in January 2016, performed the validation at a semi-pilot scale system of about 74 kWh capacity and was constructed and operated at the Juelich Solar Tower (STJ), Germany.
Il progetto RESTRUCTURE, che si è concluso ufficialmente a gennaio 2016, ha verificato un sistema su scala semi-pilota di circa 74 kWh di capacità, che era stato costruito e messo in funzione presso il Juelich Solar Tower (STJ), in Germania.

Although the storage capacity was relatively low, this was the first time that such a concept was validated under near-realistic conditions for thermochemical heat storage applications.
Anche se la capacità di immagazzinamento era relativamente bassa, è stata la prima volta che un concetto di questo tipo è stato validato in condizioni quasi realistiche per applicazioni di immagazzinamento del calore termochimico.

Producing the redox honeycombs
Produrre il nido d’ape a ossidoriduzione

>>>  ‘The novelty of the [RESTRUCTURE] reactor design relates to the use of a monolithic honeycomb ceramic structure as its building block, in which the active material can be incorporated via several ways,’ explains project coordinator Dr George Karagiannakis.
“La novità del design del reattore [RESTRUCTURE] riguarda l’uso di una struttura ceramica a nido d’ape monolitica come elemento costitutivo, nella quale il materiale attivo può essere incorporato in diversi modi,” spiega il coordinatore del progetto, il dott. George Karagiannakis.

‘This structure is very similar to the ceramic ‘bricks’ used in the catalyst converters in motor vehicles.’
“Questa struttura è molto simile ai “mattoni” di ceramica usati nei convertitori catalitici dei veicoli a motore.”

Regarding the materials used, Dr Karagiannakis outlined that they are metal oxide-based (e.g. cobalt oxide and manganese oxide).
Per quanto riguarda i materiali usati, il dott. Karagiannakis ha spiegato che sono a base di ossido di metallo (per es. ossido di cobalto e ossido di manganese.

Substantial development was required within the project framework, in order to produce the full-scale redox honeycombs, and several challenges had to be confronted by the project team.
È stato necessario una sostanziale attività di sviluppo nell’ambito del progetto per produrre il nido d’ape di ossidoriduzione su vasta scala e il team del progetto ha dovuto affrontare diverse sfide.

Prominent examples of such challenges included achieving a good compromise between structural stability under operating conditions and redox performance, as well as scaling-up of production strategies initially developed at a laboratory scale.
Alcuni esempi di tali sfide sono il raggiungimento di un buon compromesso tra la stabilità strutturale in condizioni operative e le prestazioni dell’ossidoriduzione, nonché l’ampliamento delle strategie di produzione inizialmente sviluppate su scala di laboratorio.

However, the project consortium had already anticipated most of these challenges and in several cases developed fall-back options to be held in reserve.
Il consorzio del progetto però aveva già previsto la maggior parte di queste difficoltà e in diversi casi aveva sviluppato soluzioni alternative di riserva.

The advantages that monolithic honeycomb structures can provide are related to the simpler reactor design that they can offer and the inherent modularity of such a system.
I vantaggi delle strutture a nido d’ape monolitiche sono legate a un design più semplice per il reattore e l’inerente modularità di un sistema di questo tipo.

‘Of crucial importance, issues such as special measures to prevent high temperature drop build-up during operation, material recirculation, and extra safety measures associated with efficient particles containment in the system must be considered when ‘conventional’ powder/small particles in fixed or moving reactor designs are targeted,’ elaborated Dr Karagiannakis.
“Questioni di cruciale importanza, come gli speciali accorgimenti per evitare che si verifichi un abbassamento dell’alta temperatura durante l’operazione, il rientro in circolo del materiale e altre misure di sicurezza riguardanti il contenimento efficiente delle particelle nel sistema, devono essere considerate quando ci si occupa di polvere/particelle piccole “tradizionali” in progetti di reattori fissi o mobili,” ha spiegato il dott. Karagiannakis.

‘This may increase system complexity considerably and consequently decrease overall efficiency.
“Questo potrebbe aumentare considerevolmente la complessità del sistema e di conseguenza ridurre l’efficienza generale.

However, none of these issues are of particular concern when honeycomb reactor designs are considered.’
Nessuno di questi problemi però desta particolari preoccupazioni quando si parla di reattori a nido d’ape.”

Configuration of the reactor/heat exchanger system
Configurazione del reattore/sistema di scambiatore di calore

Throughout the duration of the project, extensive tests were first performed at lab-scale to identify and validate suitable formulations.
Per tutta la durata del progetto, sono stati fatti test approfonditi in scala di laboratorio per identificare e verificare le formulazioni adatte.

The semi-pilot system developed was an assembly of honeycombs, which were essentially scaled-up structured bodies on the basis of the small-scale test results.
Il sistema semi-pilota sviluppato era un insieme di strutture a nido d’ape, che erano essenzialmente corpi strutturati scalati in base ai risultati dei test su piccola scala.

The redox schemes investigated in the RESTRUCTURE project require maximum temperatures of around 1000 degrees to be able to operate, and such high temperatures are currently not available in existing commercial CSP plants.
Gli schemi di ossidoriduzione studiati nell’ambito del progetto RESTRUCTURE richiedono temperature massime di circa 1 000 gradi per poter funzionare e temperature così alte attualmente non sono disponibili negli impianti commerciali CSP esistenti.

With a storage power capacity of about 25 kW, the system was fed by a side-stream of the hot working fluid (i.e.hot air) produced by the solar receiver at the STJ test site.
Con una capacità di immagazzinamento di energia di circa 25 kW, il sistema è stato alimentato da un flusso secondario del fluido caldo di lavoro (cioè aria calda) prodotto dal ricevitore solare presso il luogo di prova del STJ.

During charging, and due to the fact that the maximum temperature of hot air provided by the solar receiver was approximately 700 degrees, to achieve the required temperature of 1000 degrees for the charging reaction, a burner was used to provide the additional heat needed.
Durante la carica e poiché la temperatura massima dell’aria calda fornita dal ricevitore solare era di circa 700 gradi, per raggiungere la temperatura richiesta di 1 000 gradi per la reazione di carica, è stato usato un bruciatore che ha fornito il calore aggiuntivo necessario.

During discharge, colder air passed through the charged monolithic assembly and heat produced was dissipated from this flow, thereby increasing its temperature at the reactor/heat exchanger outlet.
Durante la scarica, aria più fredda passava attraverso l’assemblaggio monolitico caricato e il calore prodotto veniva dissipato da questo flusso, aumentando in questo modo la sua temperatura nel punto di sbocco del reattore/scambiatore di calore.

In this way, part of the energy contained in the air flow is stored in the honeycombs and the flow exits the system at a lower temperature, but still adequately high enough to drive a power cycle and produce electricity.
In questo modo, una parte dell’energia contenuta nel flusso di aria è conservata nella struttura a nido d’ape e il flusso esce dal sistema a una temperatura più bassa, ma ancora abbastanza alta da creare un ciclo di energia e produrre elettricità.

When energy from the sun is not available, the air flow temperature drops substantially, but when forced to pass through the storage system a heat-release reaction is triggered, thereby increasing the temperature of the air, which is again used to operate the power cycle.
Quando l’energia solare non è disponibile, la temperatura del flusso d’aria diminuisce sostanzialmente, ma quando viene forzato a passare attraverso il sistema di immagazzinamento si innesca una reazione di rilascio di calore, che aumenta la temperatura dell’aria, la quale viene usata nuovamente per far funzionare il ciclo di energia.

Post-RESTRUCTURE and next steps
Il futuro di RESTRUCTURE e i prossimi passi

Dr Karagiannakis has emphasised that the approach taken in RESTRUCTURE is considered as ‘next generational’ and that the technology’s future commercialisation depends strongly on the successful industrial development of next generation/high temperature/high-efficiency CSP technologies.
Il dott. Karagiannakis ha sottolineato che l’approccio adottato nel progetto RESTRUCTURE è considerato di “prossima generazione” e che la futura commercializzazione della tecnologia dipende fortemente dalla riuscita dello sviluppo industriale di tecnologie CSP di prossima generazione, ad alta temperatura e ad alta efficienza.

This is currently in progress but outside of the formal scope of the project itself.
È di questo che ci si sta occupando attualmente, anche se al di fuori del progetto.

‘We are intensively seeking ways of continuing our research efforts and further developing the technology,’ Dr Karagiannakis confirms.
“Stiamo cercando modi di continuare le nostre attività di ricerca e di sviluppare ulteriormente la tecnologia”, conferma il dott. Karagiannakis.

‘In particular, scaling-up and optimisation strategies are at the core of our targeted next steps.’
“In particolare, le strategie di ampliamento e di ottimizzazione sono al centro delle nostre attività future.”

Overall, the project contributed towards achieving the first important step of proving the in-principle effectiveness of a new concept for thermochemical heat storage applications through the design and validation of its novel honeycomb reactor/heat exchanger.
In generale il progetto ha contribuito a fare il primo importante passo verso la prova dell’efficienza teorica di un nuovo concetto per applicazioni di immagazzinamento di calore termochimico mediante la progettazione e la verifica di questo nuovo reattore/scambiatore di calore a nido d’ape.

It is now hoped that a follow-up project can be initiated to build further on the RESTRUCTURE results and advance the technology towards the pre-commercialisation phase.
Adesso si spera di dare inizio a un progetto di follow-up per sviluppare ulteriormente i risultati di RESTRUCTURE e far avanzare la tecnologia verso la fase di pre-commercializzazione.

For further information please visit:
Per ulteriori informazioni, visitare:

RESTRUCTURE project website
Sito web del progetto RESTRUCTURE

Source: Based on an interview with the project coordinator
Fonte: Sulla base di un’intervista con il coordinatore del progetto.