CN107525427A - 高温热化学能量储存系统 - Google Patents

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CN107525427A CN201710452528.6A CN201710452528A CN107525427A CN 107525427 A CN107525427 A CN 107525427A CN 201710452528 A CN201710452528 A CN 201710452528A CN 107525427 A CN107525427 A CN 107525427A
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heat transfer
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瑞安·梅尔塞特
桑托什·库马尔·冈瓦尔
蒂姆·A·汉森
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Abstract

公开了一种热化学能量储存系统和储存热能的方法。本文中描述的能量储存系统包括反应器和b)CO2源，该反应器包括CO2吸附剂，CO2吸附剂包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或它们的组合，其中该CO2源与反应器流体连通，以允许在CO2源和反应器之间的CO2流动。此外，公开了用于跨宽温度范围储存热能的方法。

Description

高温热化学能量储存系统
联邦资助研发下作出的政府许可权
本发明是按照能源部(DOE)授予的DE-EE0006535在政府支持下作出的。政府对本发明有一定的权利。
背景技术
社会能源需求不断增长，而化石燃料资源——许多国家能源系统的主要能源资源——是有限的并且预计会变得更加缺乏，并且因此在未来几年会变得更加昂贵。此外，存在针对与持续钻井和从地壳抽取化石燃料相关的环境影响以及渐增的能源消耗的许多担忧。特别地，已经引起针对增加的化石燃料使用对气候变化和大气污染的可能影响的关注。
能源系统中需要改变，在一定程度上通过使用先进的能源技术和系统来解决这些严重的环境问题。能源需求的全球预期增加和对于环境问题的关注已经变成了利用更高效和更清洁的能源技术的驱动力。实例包括用于废物能源再生和能源集成的先进系统。可以有助于避免环境问题并增加能源消耗效率的重要技术包括热能储存(TES)，以及更具体地，热化学能量储存(TCES)。
热能储存是一种在涉及可再生能源以及其他能源资源的系统中尤其重要的技术，因为其可使系统运转更高效。一个实例是跨接获得能量时和需要能量时之间的阶段。例如，正在设计下一代先进的聚焦式太阳能发电(CSP)设备，以提高阳光向电力的转化效率，并且实现该提高的主要技术之一是通过接收器、传热流体(HTF)、热能储存系统和在高温下运转的电力模块的使用。发现，以CSP系统为例，其需要热能储存来与常规电网规模的发电系统竞争。因此，在地区和国家的能源生产中，TES可以在增加各种类型的可再生能源的贡献中起到重要作用。
存在各种TES技术和应用。用于特定应用的TES系统的选择取决于许多因素，包括储存期、经济因素、供应和使用温度要求、储存容量、热量损失和可用空间。
基于利用化学反应的系统可以实现更紧凑的TES。然而，本领域现状下，基于熔融盐的热储存系统不能在所需的高温范围内运行，例如在CSP系统中。高温热能一般作为显热储存在熔融盐或合成有机传热油中。然而，这些介质以非常低的体积能量密度储存热量，并且不能储存高于500℃的热量。
因此，需要呈现非常高体积能量密度且能跨宽温度范围运行的热化学能量储存系统。更进一步地，用于储存能量的改进的方法将是期望的。
因此，本文描述了这样的热化学能量储存系统和用于储存能量的方法。
发明内容
本文公开的是一种用于储存能量的系统，包括：a)包括CO2吸附剂的反应器，CO2吸附剂包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或其组合；和b)CO2源，其中CO2源与反应器流体连通以允许在CO2源和反应器之间的CO2流动。
本文还公开的是一种储存能量的方法，包括以下步骤：a)在反应器中，加热1)CaCO3和钙铝石或2)Li2CO3和Li2SiO3，或其组合，从而促进吸热化学反应，以产生CO2和包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或其组合的CO2吸附剂；b)将CO2与CO2吸附剂分离。
另外的优势将部分地在以下的说明中陈述，并且在某种程度上由该说明而明显，或者通过实践下文中描述的方面可以了解。借助所附的权利要求书中特别指出的化学组合物、方法及其组合，将意识到并获得下文描述的优势。要理解的是，前述总体说明和以下详细说明均仅为示例性和解释性的，并且不限制请求保护的发明。
附图说明
被并入并构成本说明书一部分的附图图示说明了若干方面，并连同说明书一起，用来解释本发明的原理。
图1示出本文描述的TCES系统的过程流程图。
图2A和图2B示出TCES系统在峰值日射下装载(charging，进热)(2A)和在零日射下卸载(discharging，排热)(2B)的示例性流程示意图；温度代表使用斯特灵(Stirling)电力循环，然而更宽范围的装载/卸载温度可以通过使用用于与超临界蒸汽和超临界CO2电力循环集成的CO2压力摆动来实现。
图3A和图3B示出针对正硅酸锂碳酸化(3A)和氧化钙碳酸化(3B)的示例性的反应平衡条件。当温度/压力条件跨线时反应方向逆转；四(4)个设定点代表四种可能的高温电力循环的可能设定点。数据由Aspen Plus建模系统计算。
图4示出示例性的气-固反应平衡体系。
图5示出CO2储存系统装载的吸热释放(上图)；CO2储存系统卸载的放热吸收(下图)的示例性示意图。
图6示出解耦的低压热交换反应器和高压超临界CO2热交换器。
图7示出具有作为HTF的超临界CO2的示例性的耦合的高压热交换反应器。
图8示出示例性的解耦的低压绝热反应器和高温超临界CO2热交换器。
具体实施方式
通过参考本发明的以下详细说明，可以更容易地理解本发明。
本文公开的是系统、材料、化合物、组合物和组分，所述系统、材料、化合物、组合物和组分可以用于所公开的方法和组合物的产物、可以与所述产物结合使用、可以用于制备所述产物或者是所述产物。要理解的是，当公开这些材料的组合、子集合、交互(interaction)和组等时，尽管每个不同个体和集体组合的具体参考和这些化合物的变换未能明确公开，但这每一者都被具体地设想和公开在本文中。该概念适用于本公开内容的所有方面，包括，但不限于，制造和使用所公开的组合物的方法中的步骤。因此，如果存在可以执行的各种附加步骤，要理解的是，每一个这些附加步骤都可以与所公开的方法的任意具体方面或方面的组合来执行，并且每一个这样的组合被具体地设想并应当被认为是被公开的。
本文中提及的所有出版物通过引用被并入本文以便公开和描述与引用的出版物有关的方法和/或材料。
1.定义
在本说明书和随附的权利要求书中，将会涉及许多应当被定义为具有如下意义的术语：
贯穿于本说明书始终，除非上下文另有要求，词语“包括(comprise)”，或各种变体诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”，将被理解为意味着包括所陈述的整体或步骤，或多个整体或多个步骤的组，但不排除任何其他整体或步骤，或多个整体或多个步骤的组。
必须注意的是，正如说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。因此，例如，提及“一系统”包括两个或更多个这样的系统的组合，以此类推。
“可选的(optional)”或“可选地(optionally)”意为其后描述的事件或环境可以发生也可以不发生，并且意为该说明包括事件或环境发生的情况和不发生的情况。
“基本上由……组成”将范围限定在指定材料(即，CaO和钙铝石)或步骤以及不会在物质上影响请求保护的发明的一个或多个基本和新颖特征的那些材料和步骤。
本文中范围可以表述为从“约”一个特定值，和/或至“约”另一个特定值。当表述这样的范围时，另一方面包括从该一个特定值和/或至其他特定值。类似地，当通过使用先行词“约”，将值被表述为近似值时，将理解的是，特定值形成另一个方面。还将理解的是，每个范围的端点在关于其他端点和独立于其他端点中均是重要的。
如本文所定义的，术语“热能储存”指能够将热能暂时保存在物质中供以后利用的系统。
如本文所定义的，术语“可感热能储存/显热储能”指以分子振动模式储存的能量。可感TES系统通过改变储存介质的温度储存能量，该储存介质可以是水、盐水、岩石、土壤、混凝土、沙、熔融盐等等。
如本文所定义的，术语“潜热能储存”指在介质相变时储存于介质中的能量，例如，冷储存水/冰和通过熔融固体石蜡的热储存。潜TES单元一般小于可感储存单元。
术语“热化学能量储存”指储存在分子的化学键中或反应物之间的反应中的能量。例如，金属氧化物、可逆的还原氧化反应等等。热化学能量储存还可以包括允许在放热反应中分离反应物的系统，这些反应物随后可以再次结合。例如，CO2和CaO的分离和再组合。
如本文所使用的，术语“吸附剂”指能够经由流-固化学反应吸收液体或气体的固体材料。
如本文所使用的，术语“热交换反应器”指用于在一种或多种流体之间传递热量的反应器。流体可以通过实体墙分隔以防止混合，或者它们可以直接接触。
如本文所使用的，术语“绝热反应器”指利用在反应器与其周围环境之间无热量或物质损失发生的绝热过程的反应器。
术语“气体膨胀机”或“涡轮膨胀机(turbo expander)”或“膨胀涡轮机(expansionturbine)”可以互换使用，并且是指离心流式或轴流式涡轮机，通过该离心流式或轴流式涡轮机，将高压气体膨胀以做功。
如本文所提及的，术语“放热反应”是通过热量来释放能量的化学反应。
如本文所提及的，术语“吸热反应”是体系从其周围环境吸收能量的反应。在一些方面，吸收的能量是热量的形式。
在本文所使用的情况下，术语“第一”、“第一热交换介质”等不表示任何顺序、数量或重要性，而用于将一个要素与另一个要素区分开，除非另有具体说明。
如本文所描述的超临界流体是温度高于其临界温度且压力高于其临界压力的流体。超临界流体存在于其“临界点”或高于其“临界点”时，“临界点”即液相和蒸汽(气)相可以彼此平衡存在的最高温度点或压力点。在临界压力和临界温度以上，液相和气相之间的差别消失。超临界流体具有近于气体的渗透性质同时具有液体的溶剂性质。因此，超临界流体提取具有高度渗透能力和良好的溶剂化作用的益处。
已报道的临界温度和压力包括：对于纯水，临界温度约374.2℃且临界压力约221巴；对于二氧化碳，临界温度约31℃且临界压力约72.9标准大气压(约1072psig)。近临界水具有约300℃或以上且低于水的临界温度(374.2℃)的温度、和足够高以确保全部流体处于液相的压力。亚临界水具有低于约300℃的温度和足够高以确保全部流体处于液相的压力。亚临界水的温度可以高于约250℃而低于约300℃，并且在很多情况下，亚临界水具有约250℃至约280℃之间的温度。术语“热压缩水”在本文中与处于其临界状态或其临界状态以上的水、或者是在本文中被定义为近临界或亚临界的水、或处于高于约50℃(优选地，至少约100℃，高于约150℃，或高于约200℃)但低于亚临界的任何其他温度和使得水处于液态的压力的水互换使用。
如本文中所使用的，“超临界”的流体(例如，超临界水、超临界CO2等)是指这样的流体：如果在给定的一组温度和压力条件下以纯净形式存在，该流体将是超临界的。例如，“超临界水”指存在于至少约374.2℃的温度和至少约221巴的压力下的水，无论该水是纯水、或作为混合物(例如，水和乙醇，水和CO2等)存在。因此，例如，“亚临界水和超临界二氧化碳的混合物”指处于高于二氧化碳的临界点但低于水的临界点的温度和压力下的水和二氧化碳的混合物，无论超临界相是否含有水并且无论水相是否含有任何二氧化碳。例如，亚临界水和超临界CO2的混合物可以具有约250℃至约280℃的温度和至少约225巴的压力。
除非另有明确说明，组分的重量百分比是基于其中包括该组分的制剂或组合物的总重量。
公开的是化合物、组合物和组分，所述化合物、组合物和组分可以用于公开的方法和组合物的产物，可以与所述产物结合使用，可以用于所述产物的制备，或者就是所述产物。这些和其他材料公开于本文中，并且要理解的是，当公开这些材料的组合、子集合、交互和组等时，尽管每个不同个体和集体组合的具体参考和这些化合物的变换未能明确公开，但每一者都被具体地设想和公开在本文中。例如，如果公开并讨论许多不同的聚合物和试剂，聚合物和试剂的每一个和所有的组合和变换均被具体地设想，除非另有具体说明。因此，如果公开了一类分子A、B和C以及一类分子D、E和F，并公开了组合分子的实例——A-D，则即使这每一者并未单独列举，但是这每一者均被单独且全体地设想。因此，在该实例中，组合A-E、A-F、B-D、B-E、B-F、C-D、C-E和C-F中的每一个均被具体地设想，并且应当被认为从A、B和C；D、E和F；以及实例组合A-D的公开内容中公开。同样地，这些的任何子集合或组合也被具体地设想和公开。因此，例如，A-E、B-F和C-E的亚组被具体地设想并应当被认为从A、B和C；D、E和F；和实例组合A-D的公开内容中公开。该概念适用于本公开内容的所有方面，包括，但不限于，制造和使用所公开的组合物的方法中的步骤。因此，如果存在各种各样的可以执行的附加步骤，要理解的是，每一个这些附加步骤都可以与所公开的方法的任意具体实施方式或实施方式的组合一起执行，并且每一个这样的组合被具体地设想并应当认为是被公开的。
2.系统
本文公开的是一种可以允许实惠又高效的能量储存的系统。期望的是获得一种热能储存系统，其具有高循环耐久性、高体积能量密度、能够跨宽温度范围运行、同时仍提供经济可行性。本文公开的系统利用可逆的气-固反应，其中请求保护的反应基本上没有可能的副反应，并且反应物和/或产物无毒性且无腐蚀性。本文描述的能量储存在热化学基础上使用高度可逆和高能量的气-固反应来储存能量。在一些方面，本文描述的系统包括包含吸附剂的反应器。在其他方面，系统包括气体源。在再其他方面，气体源可以包括储存罐。在再又一些方面，系统包括包含吸附剂和气体源的反应器。在再又一些方面，系统包括包含吸附剂和储存罐的反应器。
因此，本文公开的是一种系统，包括：a)包括CO2吸附剂的反应器，CO2吸附剂包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或其组合；和b)CO2源，其中CO2源与反应器流体连通以允许在CO2源和反应器之间的CO2流动。CO2源可以包括本领域中已知的任何源。在一些方面，例如且不限定，CO2源可以包括提供于储存罐中的商业上可获得的CO2。在再其他方面，CO2源可以包括来自发电厂流(stream)的再生CO2；从空气分离并且随后被浓缩并递送至系统的CO2；再循环的CO2；与能够递送CO2的其他系统气体连通的内嵌式CO2递送系统。在一些方面，CO2被储存为液体。在再其他方面，CO2被储存为气体。在某些方面，所公开的系统中利用的CO2源可以再循环回到储存罐，使用之后排放，或者在需要使用CO2的不同系统中利用。
在一个方面，CO2吸附剂主要由CaO和钙铝石组成。在另一方面，CO2吸附剂由CaO和钙铝石组成。
还要理解的是，在一些方面，CO2吸附剂可以在高于约550℃、高于约600℃、高于约650℃、高于约700℃、高于约750℃、高于约800℃或高于约850℃的温度下起作用。在再其他方面，CO2吸附剂可以在约550℃至约900℃(包括示例值约600℃、约650℃、约700℃、约750℃、约800℃、约850℃和约900℃)的温度范围内起作用。在再其他方面，CO2吸附剂可以在任意两个上述值之间的任意温度范围内起作用。例如，CO2吸附剂可以在从约550℃至约800℃、约650℃至约850℃，或从约700℃至约900℃起作用。
在一些方面，可以采用使用CO2吸附剂的高度可逆的气-固碳酸化-脱碳酸化反应循环。在一些方面，高温碳酸化-脱碳酸化循环可以基于示于方案1中的反应：
循环1：
在再其他方面，高温碳酸化-脱碳酸化循环可以基于示于方案2中的反应：
循环2：
在再又一些方面，高温碳酸化-脱碳酸化循环可以基于循环1和循环2的组合。要理解的是，在一些方面中，其中循环1和循环2的反应均被采用，可以以任意顺序进行这些循环。在一些方面，在循环2之前采用循环1。在其他方面，在循环1之前进行循环2。在再其他方面，循环1和循环2同时进行。
要理解的是，描述的循环基于二氧化碳与固体氧化钙(石灰)以及与固体正硅酸锂吸附剂的可逆反应。氧化钙碳酸化形成固体碳酸钙，而正硅酸锂碳酸化形成碳酸锂和偏硅酸锂的等摩尔混合物。在某些方面，本文描述的吸附剂可以在上述温度范围内在闭合环路系统中经历反复的吸热-放热碳酸化循环而不退化。
在一些方面，CO2吸附剂包括CaO和钙铝石。在再其他方面，CO2吸附剂包括Li4SiO4。在再其他方面，CO2吸附剂包括CaO、钙铝石和Li4SiO4。
在某些方面，CO2吸附剂是多孔吸附剂。在再又一些方面，吸附剂的孔可以具有在从约1nm至约100nm范围内的直径，包括示例值约3nm、约5nm、约8nm、约10nm、约15nm、约20nm、约25nm、约30nm、约35nm、约40nm、约45nm、约50nm、约55nm、约60nm、约65nm、约70nm、约75nm、约80nm、约85nm、约90nm和约95nm。在再其他方面，吸附剂包括在从约1nm至约10nm范围内的直径的微孔，包括示例值约2nm、约3nm、约4nm、约5nm、约6nm、约7nm、约8nm和约9nm。在再又一些方面，微孔可以具有在任意两个上述值之间的直径。在再其他方面，吸附剂可以包括具有在从约10nm至约100nm范围内的直径的中孔，包括示例值约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约60nm、约70nm、约80nm和约90nm。在再又一些方面，吸附剂可以包括具有大于约100nm的直径的大孔。要理解的是，在一些方面，较大的孔径可以导致总孔表面积的降低。
在某些方面，本文描述的吸附剂具有在从约1至约25m2/g范围内的表面积，包括在从约2至15m2/g范围内的示例值。
还要理解的是，吸附剂的孔径可以受温度影响。在一些方面，在较高的反应温度下，吸附剂可以经历烧结并形成具有更高孔尺寸的团聚体。在某些方面，为了改进CO2吸附剂的长期稳定性，吸附剂可以通过整合加强结构来改性。如本文所公开的，CaO可以通过钙铝石来加强。
在一些方面，其中存在CaO和钙铝石，要理解的是，CaO和钙铝石可以以相对于彼此的任何量存在。还要理解的是，存在于吸附剂中的CaO与钙铝石的比率可以影响吸附剂退化稳定性。在一些方面，CaO可以以基于CaO和钙铝石总重量的约20wt.％至约80wt.％的范围存在，包括示例值约21wt.％、约22wt.％、约23wt.％、约24wt.％、约25wt.％、约26wt.％、约27wt.％、约28wt.％、约29wt.％、约30wt.％、约31wt.％、约32wt.％、约33wt.％、约34wt.％、约35wt.％、约36wt.％、约37wt.％、约38wt.％、约39wt.％、约40wt.％、约41wt.％、约42wt.％、约43wt.％、约44wt.％、约45wt.％、约46wt.％、约47wt.％、约48wt.％、约49wt.％、约50wt.％、约51wt.％、约52wt.％、约53wt.％、约54wt.％、约55wt.％、约56wt.％、约57wt.％、约58wt.％、约59wt.％、约60wt.％、约61wt.％、约62wt.％、约63wt.％、约64wt.％、约65wt.％、约66wt.％、约67wt.％、约68wt.％、约69wt.％、约70wt.％、约71wt.％、约72wt.％、约73wt.％、约74wt.％、约75wt.％、约76wt.％、约77wt.％、约78wt.％和约79wt.％。在再其他方面，CaO可以以任意两个上述引用值之间的任意浓度存在。在一些方面，CaO可以从约27wt.％至约40wt.％、从约47wt.％至约73wt.％或从约54wt.％至约71wt.％存在。
在再其他方面，钙铝石可以以基于CaO和钙铝石总重量的约20wt.％至约80wt.％的任意量存在，包括示例值约21wt.％、约22wt.％、约23wt.％、约24wt.％、约25wt.％、约26wt.％、约27wt.％、约28wt.％、约29wt.％、约30wt.％、约31wt.％、约32wt.％、约33wt.％、约34wt.％、约35wt.％、约36wt.％、约37wt.％、约38wt.％、约39wt.％、约40wt.％、约41wt.％、约42wt.％、约43wt.％、约44wt.％、约45wt.％、约46wt.％、约47wt.％、约48wt.％、约49wt.％、约50wt.％、约51wt.％、约52wt.％、约53wt.％、约54wt.％、约55wt.％、约56wt.％、约57wt.％、约58wt.％、约59wt.％、约60wt.％、约61wt.％、约62wt.％、约63wt.％、约64wt.％、约65wt.％、约66wt.％、约67wt.％、约68wt.％、约69wt.％、约70wt.％、约71wt.％、约72wt.％、约73wt.％、约74wt.％、约75wt.％、约76wt.％、约77wt.％、约78wt.％和约79wt.％。在再其他方面，钙铝石可以以任意两个上述引用值之间的任意浓度存在。在一些方面，钙铝石可以从约27wt.％至约53wt.％、从约29wt.％至约36wt.％或从约63wt.％至约73wt.％存在。
在再其他示例性方面，CaO和钙铝石可以以任何量存在。在一些方面，吸附剂包括约27wt.％的CaO和约73wt.％的钙铝石。在再又一些示例性方面，吸附剂包括约37wt.％的CaO和约63wt.％的钙铝石。在再又一些示例性方面，吸附剂可以包括约64wt.％的CaO和约36wt.％的钙铝石。在再又一些示例性方面，吸附剂可以包括约71wt.％的CaO和约29wt.％的钙铝石。
在一些方面中，其中CO2吸附剂包括CaO、钙铝石和Li4SiO4，这些组分可以以相对于彼此的任意比例存在。在一些方面，吸附剂中包括CaO、钙铝石和Li4SiO4的组合，CaO和钙铝石可以以相对于彼此和相对于Li4SiO4的任意上述比例存在。在一些方面，Li4SiO4可以以吸附剂总重量的约5wt.％至约75wt.％的量存在于CaO、钙铝石和Li4SiO4的组合中，包括示例值约10wt.％、约15wt.％、约20wt.％、约25wt.％、约30wt.％、约35wt.％、约40wt.％、约45wt.％、约50wt.％、约65wt.％和约70wt.％。不希望受任何理论束缚，要理解的是，包括CaO、钙铝石和Li4SiO4的组合的吸附剂在热储存系统运行中提供可能的协同增效效应。例如，人们认为由于锂吸附剂在开始阶段可以具有稍快的反应速率，并且尽管钙吸附剂最初也反应得足够快以实现对于很多期望的应用所需要的升温速率(ramp rate)，锂吸附剂的该属性有助于需要快速启动的其他应用。此外，由于相比于钙吸附剂，锂吸附剂可能在稍低的温度下达到平衡，使在较高CO2分压(近大气压力)下在较低温度电力循环中操作该吸附剂成为可能。在一些方面，CO2的分压可以在从约0.8atm至约1.5atm的范围内，包括示例值约0.9atm、约1.0atm、约1.1atm、约1.2atm、约1.3atm和约1.4atm。在再其他方面，温度电力循环可以在从约500℃至约650℃的范围内，包括示例值约510℃、约520℃、约530℃、约540℃、约550℃、约560℃、约570℃、约580℃、约590℃、约600℃、约610℃、约620℃、约630℃和约640℃。在其他方面，当期望更高温度应用时，钙吸附剂可以在接近于大气压力下发挥作用。对反应平衡温度的这个微小可变性允许吸附剂的一部分在温度曲线中较早开始反应，以协同地产生生成的/吸收的热量，并产生正反馈环路以在开始阶段加速反应。
在某些方面，在用于系统之前，吸附剂在从约600℃至约1,000℃(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃、约800℃、约850℃、约900℃和约950℃)的温度下在非反应气体(诸如，氮、空气、氦)中热处理，从而产生热处理的吸附剂。在一些方面，热处理执行约10分钟至约60分钟的一段时间，包括示例值约20分钟、约30分钟、约40分钟和约50分钟。在再其他方面，吸附剂在蒸汽中热处理。在再其他方面，在该热处理之后，吸附剂可以在从约600℃至约800℃(包括示例值约650℃、约700℃和约750℃)在包含约2至约30体积％的CO2的气体中进一步热处理。在再其他方面，热处理可以执行约4至约20小时(包括示例值约6、约8和约12小时)的一段时间。在某些方面，在用于系统中之前的吸附剂的热处理改善吸附剂的耐久性和稳定性。在某些方面，吸附剂的热处理可以提高反应速率(例如，提高给定时间内可以与吸附剂反应的CO2的量)。在某些示例性方面，相较于在用于系统中前未被热处理的基本相同的吸附剂，在持续约一的第一反应循环期间，CO2的吸收可以提高约10wt.％至约36wt.％，包括示例值约15wt.％、约20wt.％、约25wt.％、约30wt.％和约35wt.％。不希望受任何理论束缚，推测用于系统之前吸附剂的热处理可以通过构建表面形态和增加通向孔结构的CO2通道来活化吸附剂。
在再其他方面，碳酸化的吸附剂可以在CO2的存在下，在从约650℃至约950℃(包括示例值约700℃、约750℃、约800℃、约850℃和约900℃)的温度下经历约30分钟至约12小时(包括示例值约1小时、约1.5小时、约2小时、约2.5小时、约3小时、约3.5小时、约4小时、约4.5小时、约5小时、约5.5小时、约6小时、约6.5小时、约7小时、约7.5小时、约8小时、约8.5小时、约9小时、约9.5小时、约10小时、约10.5小时、约11小时和约11.5小时)的一段时间的再生过程。在一些方面，再生过程可以将存在于吸附剂中的碳酸钙(CaCO3)转化回氧化钙(CaO)以使其为下一循环做好准备。在再其他方面，其中吸附剂包括锂金属硅酸盐，再生过程允许锂金属硅酸盐与碳酸锂反应以释放CO2，并形成正硅酸锂以使吸附剂为下一循环做好准备。在再其他方面，吸附剂可以在氮或空气的存在下，在从约600℃至约850℃(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃和约800℃)的温度下经历约30分钟至约300分钟(包括示例值约60分钟、约90分钟、约120分钟、约150分钟、约180分钟、约210分钟和约240分钟)的一段时间的再生过程。不希望受任何理论束缚，推测再生过程可以使吸附剂复原至其活化状态而不导致吸附剂耐久性损失，以致循环可以重复多次。还要理解的是，再生过程可以在CO2、氮、空气、惰性气体或它们的任意组合的存在下进行。还要理解的是，气体的组合以本领域普通技术人员基于期望的产出能够确定的每种气体在组合中的比例来采用。
在某些方面，本文描述的吸附剂可以禁得起约100至约30,000次反应循环而无任何实质的退化，该循环数包括示例值约200、约500、约1,000、约1,500、约2,000、约2,500、约3,000、约3,500、约4,000、约4,500、约5,500、约6,000、约6,500、约7,000、约7,500、约8,000、约8,500、约9,000、约9,500、约10,000、约10,500、约11,000、约11,500、约12,000、约12,500、约13,000、约13,500、约14,000、约14,500、约15,500、约16,000、约16,500、约17,000、约17,500、约18,000、约18,500、约19,000、约19,500、约20,000、约20,500、约21,000、约21,500、约22,000、约22,500、约23,000、约23,500、约24,000、约24,500、约25,500、约26,000、约26,500、约27,000、约27,500、约28,000、约28,500、约29,000和约29,500。在再其他方面，本文描述的吸附剂可以禁得起在任意上述值之间的任何数量的循环而无任何实质退化。在一些方面，吸附剂可以禁得起约1,000至约20,000次循环或约5,000至约30,000次循环而无任何实质退化。
在某些方面，不存在吸附剂实质退化可以通过相比于第一循环中与吸附剂反应的CO2的量，在第一循环后进行的每个后继反应循环中可以与吸附剂反应的CO2的量来确定。在一些方面，在第一循环后进行的每个后继反应循环中与吸附剂反应的CO2的量是在第一循环中与吸附剂反应的CO2的至少约80％、在第一循环中与吸附剂反应的CO2的至少约85％、至少约90％、至少约95％、至少约99％或至少约99.8％。
在一些方面，本文描述的反应器可以包括热交换反应器或绝热反应器。在某些方面，反应器是热交换反应器。在其他方面，反应器是绝热反应器。要理解的是，本领域中已知的任何热交换反应器和绝热反应器均可以利用。还要理解的是，反应器可以具有本领域中已知的任何形状。在一些方面，反应器是管(tube)。在其他方面，反应器是壳(shell)。在再其他方面，反应器是管壳式反应器(tube and shell reactor)或流化床反应器。还要理解的是，反应器的尺寸可以由本领域普通技术人员根据期望的产出容易地确定。在一些方面，要理解的是，可以使反应器的尺寸适应于容纳对于与期望量的CO2反应有效的足够量的吸附剂。
在一些方面，系统还可以包括a)热源和a)被配置为与热源和反应器热连通的第一传热介质容器。在再其他方面，本文描述的系统还可以包括发电装置和被配置为与反应器和发电装置热连通的第二传热介质容器。
在再其他方面，发电装置可以包括蒸汽发生器和涡轮机、超临界CO2加热器和涡轮机，或空气加热器和涡轮机。在再又一些方面，发电装置可以经由第一传热介质容器或第二传热介质容器与热源进一步热连通。还要理解的是，第一和第二传热介质容器可以包括本领域中已知的任何容器，例如且不限定，其可以包括管道容器(pipe vessel)、管容器(tubevessel)、壳-管(shell and tube)、板-翅(plate and fin)、微通道、印刷电路等等。
在一些方面，系统还可以包括传热介质。在再其他方面，系统可以被配置为在约600℃至约1,000℃(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃、约800℃、约850℃、约900℃和约950℃)的温度下传递传热介质。在某些方面，系统可以被配置为在约600℃至约950℃的温度下经由第一传热介质容器从热源向反应器输送传热介质。
在某些方面，传热介质或传热流体可以包括本领域已知的能够有效传递热量的任何材料。在一些方面，传热介质(传热流体，或HTF)可以包括合成油、超临界CO2(sCO2)、超临界H2O(sH2O)、He、氮、液态金属、惰性气体、蒸汽或空气。在再其他方面，第一传热介质包括液态金属、超临界CO2、氦、氮、空气或惰性气体。还要理解的是，热化学能量储存系统中利用的反应器的选择可以决定传热介质的选择。
在一些方面，系统还可以包括与CO2源和反应器流体连通的气体膨胀机。气体膨胀机是本领域已知的。
在某些方面，系统中存在的热源可以包括例如太阳热能源。在示例性方面中，其中热源包括太阳热能源，太阳能可以用镜子集中并控制用于直接加热传热介质。在再其他方面，系统中存在的热源可以包括具有至少约600℃、至少约650℃、至少约700℃、至少约750℃、至少约800℃、至少约850℃、至少约900℃或至少约950℃的温度的超临界CO2。在再其他方面，热源可以包括本领域已知的任何热源，例如且不限于，煤气设备(gas fire plant)、原子能反应器等等。
在本公开内容的一些方面，第一传热介质容器包括第一传热介质。
图1示出示例性的热化学储存能量系统。该示例性系统由热交换反应器102、气体压缩机104、CO2储存罐106、热源110和电力模块108组成。热交换器反应器102包括吸附剂固定床和与该床间接交换热量的传热流体(HTF)(或传热介质)。通过控制吸附剂床中的温度和分压，可以设定气-固反应的方向和速率，导致从HTF吸热的热量吸收或向HTF放热的热量释放。由热源110收集的热量(例如，太阳热)可以用来推动吸热反应由CaCO3产生CO2和CaO。将CO2与吸附剂分离，并且在压缩机104中压缩并储存在单独的CO2储存罐106中。为了逆转反应，在有利于推动由CO2和CaO产生CaCO3的放热反应的压力/温度条件下，CO2被再次引入到吸附剂床。来自放热反应的热量被HTF吸收，HTF被传递至电力模块108以由HTF中的热量发电。例如，HTF中的热量可以用于产生蒸汽，蒸汽转而可以被用于驱动产生电力的涡轮机。
示例性热化学能量系统的另外的实例示意地示于图2中。该示例性系统使用表示斯特灵电力循环的温度。该示例性TCES系统包括闭合环路管壳式热交换反应器202。在一些方面，系统还包括固定床吸附剂，其中吸附剂(例如)包括丸状硅酸锂和/或碳酸钙吸附剂。在一些方面，吸附剂可以置于反应器的壳侧。在一些方面，其中吸附剂在壳侧，CO2可以在正向反应期间通过壳侧上的多个开口通入(以防止热点)，并且在逆向反应期间从它们提取并储存在单独的压力容器中。固体吸附剂保持静止并且不需要传送器或单独的储存罐。传热流体(HTF)穿过反应器的管侧以从发电器(例如，太阳能场和/或蒸汽发生器204/210)移除和/或施加热量至吸附剂丸。当太阳能被用作热源204时，热能由HTF收集并被用于推动朝向吸热产生正硅酸锂、氧化钙并释放气态二氧化碳(图2(a))的平衡。释放的二氧化碳在压缩机206中压缩并收集在CO2储存罐208中。在其他方面，从太阳能收集器收集的热量可以直接被传递至蒸汽发生器210，通过使用膨胀涡轮机212产生电力。未使用的蒸汽收集在冷凝器214中并且作为冷凝的蒸汽再循环回到蒸汽发生器。当日射降到低于一阈值，从而供应的能量低于将吸附剂保持在期望操作温度窗口内的必要能量时，反应器202中的吸附剂可以在较低温度/较高压力条件下再次暴露于由CO2储存罐208向反应器202供应的二氧化碳。CO2放热地与材料反应以逆向形成碳酸锂、偏硅酸锂和碳酸钙。因此，通过使用膨胀涡轮机212(图2(b))，随着后继的电力产生，储存的热能被释放并传递至蒸汽发生器210。
图3将反应平衡示出为CO2分压(P0＝1atm)与温度的函数。除了使用温度摆动以使反应逆向之外，也可以通过改变反应器中二氧化碳的分压来使用压力摆动。
在一些方面，用于使反应逆向的温度摆动可以在从约100℃至约1,300℃的范围内，包括示例值约150℃、约200℃、约250℃、约300℃、约350℃、约400℃、约450℃、约500℃、约550℃、约600℃、约650℃、约700℃、约750℃、约800℃、约850℃、约900℃、约950℃、约1,000℃、约1,050℃、约1,100℃、约1,150℃、约1,200℃和约1,250℃。在再其他方面，温度摆动可以在任意两个前述值之间的范围内。
在再其他方面，二氧化碳的分压在从约0.01atm至约0.5atm的范围内，包括示例值约0.05atm、约0.1atm、约0.15atm、约0.2atm、约0.25atm、约0.3atm、约0.4atm和约0.45atm。
在一些方面，系统还可以包括可变真空泵。在某些方面，通过在CO2循环回路中使用可变真空泵，分压可以降至在约0.01至1atm范围内的亚环境压力(sub-ambientpressure)。在某些方面，反应器中CO2的分压在迅速的初始碳酸化期间可以保持低至约0.1atm来减缓初始碳酸化，以实现期望的热量释放，并且随后逐渐升高至约0.3atm以保持热量释放。
要理解的是，本文公开的系统可以用(例如且不限于)超临界蒸汽、超临界CO2和斯特灵电力循环聚焦式太阳能设备(CSP)同样良好地运行。
图4示出另外的示例性气-固反应平衡示意图。可见，通过改变反应气体分压或吸附剂温度，气-固反应的平衡动力学允许可逆过程跨宽温度范围动态地发生，其中压力和温度可以具有任意上述值。
在一些方面，储存系统还可以充当化学热泵。在某些方面，系统可以在标称温度(例如700℃)下接收来自任何热源的热量并释放CO2。在又一些方面，反应的二氧化碳可以在固定吸附剂床中被加压至一压力(例如，0.15atm至0.5atm)，引起在较高温度(例如740-800℃)下气体的放热吸附并在比其从原始热源被接收的温度更高的温度(例如740-800℃)下向电力模块递送热量。
在一些方面，CO2可以在约25巴至约75巴范围内(包括示例值约30巴、约35巴、约40巴、约45巴、约50巴、约55巴、约60巴和约65巴)的压力下作为气体储存或在更高的压力(例如>75巴)下作为液体储存。正如本领域普通技术人员会领会的，该配置可以使储存罐体积、成本和占地面积最小化。
在某些方面，当气体被释放进入用于放热反应的吸附剂床时，来自储存罐的CO2气体也可以穿过膨胀涡轮机来发电。在这些方面，一部分压缩能量可以在膨胀期间回收，并且在再次引入吸附剂床时气体温度升高可以被最小化(图5)。
在一些方面，超临界CO2(sCO2)可以被用作传热介质。图6示出示例性解耦的低压热交换反应器602和高压超临界热交换器604。在这些方面，热交换反应器602(HxRx)可以装有任意一种本文描述的吸附剂。通过使用相对较低压力的传热介质(HTF)，例如约25至约75巴(包括示例值约30巴、约35巴、约40巴、约45巴、约50巴、约55巴、约60巴和约65巴)的氦，反应器602低压下运转。热交换反应器602可以包括壳管式反应器，其中吸附剂填充在管中。在一些方面，可以在管中放置翅片以促进热传递至管壁。在某些方面，HTF可以包括无腐蚀性的惰性气体，例如且不限于，氦或氮。在一些方面，通过使用从约600至约850℃温度范围内(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃和约800℃)的高温鼓风机606，HTF可以在从约25至约75巴范围内(包括示例值约30巴、约35巴、约40巴、约45巴、约50巴、约55巴、约60巴和约65巴)的压力下循环。在某些方面，HTF与吸附剂交换热量。在又一些方面，HTF还可以在约600至约850℃范围内(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃和约800℃)运行的高压热交换器604(Hx)中与sCO2交换热量。在一些方面，其中采用了高温和高压，可以利用紧凑型热交换器。在某些方面，高压是约200巴至约300巴，包括示例值约2250巴、约250巴和约275巴。在其他方面，高温是约600℃至约900℃，包括示例值约650℃、约700℃、约750℃、约800℃和约850℃。在某些方面，紧凑型热交换器608可以通过冷却离开热交换反应器的CO2来用以回收加热进入热交换反应器的CO2所需的能量。在一些方面，紧凑型热交换器可以包括印刷电路或微通道。在其他方面，紧凑型热交换器可以包括壳管式反应器。
在某些方面，使用适当的阀(图6中未示出)、热交换器608和可以被用于将分压降低至亚环境压力的真空泵610，CO2可以在吸附剂之上循环。CO2气体可以在压缩机612中进一步压缩至约25巴以减少所需的储存罐数量。在一些其他方面，使用机械地和/或电力地耦合至压缩机612的膨胀器614，压缩的能量可以部分地回收。在某些方面，热量在CO2从吸附剂吸收(卸载)期间传递至sCO2 604。在其他方面，热量在CO2解吸(装载)期间从sCO2 604被接收。
在其他方面且正如图7中体现的，低压热交换反应器和高压热交换器可以组合成单个高压热交换反应器702。在一些方面，热交换反应器可以包括壳式反应器、管式反应器或其组合。在其他方面，热交换反应器可以包括紧凑型热交换反应器。在某些方面，热交换反应器可以包括印刷电路或微管道热交换反应器。在一些方面，吸附剂可以被分在若干隔室中，随着CO2气体以横向流流向每个隔室中的sCO2而促进热传递。使用与图6中描绘的系统类似的E式阀(e valve)、热交换器、真空泵，CO2可以在吸附剂之上循环。
在另一个方面并如图8所示，吸附剂反应器是绝热反应器802。在该方面，吸附剂反应器绝热地运行，以产生所需量的热量到用于传输至高压紧凑型热交换器804中的sCO2的输出气体中。在再其他方面，绝热反应器与超临界CO2热连通。在某些方面，CO2气体可以在例如650℃的温度下进入绝热反应器，并且由于CO2与吸附剂反应而被加热至750℃的温度。还要理解的是，CO2可以在与图6和图7中描述的系统类似的系统中循环。
在其他一些方面，可以通过循环加热的CO2而去掉热交换器。在这些方面，加热的CO2处于从约650℃至约750℃的温度。
在某些方面，要理解的是，CO2储存罐可以保持在约25巴至约75巴(包括示例值约30巴、约35巴、约40巴、约45巴、约50巴、约55巴、约60巴和约65巴)的压力。还要理解的是，在一些方面，CO2储存罐需要容纳依照吸附剂的量的CO2量的约至少一半。
3.方法
本文还公开的是用于储存能量的方法。在一些方面，本文公开的是包括以下步骤的储存能量的方法：a)在反应器中，加热1)CaCO3和钙铝石或2)Li2CO3和Li2SiO3或它们的组合，从而促进吸热化学反应产生CO2和包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4或它们的组合的CO2吸附剂；b)将CO2与CO2吸附剂分离。能量被储存为CO2与CO2吸附剂之间潜在的未来的化学反应。如本文其他处所描述的，CO2和CO2吸附剂之间的化学反应是放热的，并且，能量以热量形式释放。
在一个方面，在与CO2吸附剂分离之后，CO2可以被输送至CO2源，诸如CO2源罐。一旦被分离并且无CO2存在时，CO2吸附剂可以与CO2再次结合，所述CO2可以是分离的CO2或来自CO2源的其他CO2。
在其他方面，该方法还可以包括步骤c)将CO2与CO2吸附剂结合从而促进放热化学反应，以产生热量和1)CaCO3和钙铝石或2)Li2CO3和Li2SiO3或它们的组合。
要理解的是，反应器可以包括本文描述的任何反应器。例如且不限于，其可以包括热交换反应器或绝热反应器。在某些方面，CO2吸附剂可以包括本文描述的任何CO2吸附剂。
在某些方面，所公开的方法的步骤(a)至(c)可以重复至少约100次、至少约200次、至少约500次、至少约1,000次、至少约1,500次、至少约2,000次、至少约2,500次、至少约3,000次、至少约3,500次、至少约4,000次、至少约4,500次、至少约5,500次、至少约6,000次、至少约6,500次、至少约7,000次、至少约7,500次、至少约8,000次、至少约8,500次、至少约9,000次、至少约9,500次、至少约10,000次、至少约10,500次、至少约11,000次、至少约11,500次、至少约12,000次、至少约12,500次、至少约13,000次、至少约13,500次、至少约14,000次、至少约14,500次、至少约15,500次、至少约16,000次、至少约16,500次、至少约17,000次、至少约17,500次、至少约18,000次、至少约18,500次、至少约19,000次、至少约19,500次、至少约20,000次、至少约20,500次、至少约21,000次、至少约21,500次、至少约22,000次、至少约22,500次、至少约23,000次、至少约23,500次、至少约24,000次、至少约24,500次、至少约25,500次、至少约26,000次、至少约26,500次、至少约27,000次、至少约27,500次、至少约28,000次、至少约28,500次、至少约29,000次、至少约29,500次或至少约30,000次。
在再其他方面，步骤(a)至(c)可以重复至少1,000次，其中贯穿该方法在步骤c)中可与CO2吸附剂反应的CO2的量是执行该方法之前可与CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。在一些方面，可与CO2吸附剂反应的CO2的量是执行该方法之前可与CO2吸附剂反应的CO2的量的至少约80％、至少约85％、至少约90％、至少约95％或至少约99％。
在某些方面，步骤(a)至(c)可以重复1,000至20,000次，其中贯穿该方法在步骤c)中可与CO2吸附剂反应的CO2的量可以是在执行所述方法之前可与所述CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。
在再其他方面，该方法还可以包括步骤d)包括传递热量至具有第一温度的传热介质，从而加热传热介质至比第一温度高的第二温度。
在一些方面，第一温度是约600℃至约750℃，包括示例值约620℃、约650℃、约670℃、约700℃和约720℃。在再其他方面，第二温度是约650℃至约800℃，包括示例值约670℃、约700℃、约720℃、约750℃和约770℃。在再其他方面，第二温度比第一温度高至少20℃、比第一温度高至少30℃、或比第一温度高至少40℃。
在再其他方面，本文公开的方法可以包括步骤e)包括将传热介质输送至发电装置，并利用来自传热介质的热量来产生电力。要理解的是，可以利用本文描述的任何传热介质。还要理解的是，可以利用本文描述的任何发电装置。
在某些方面，加热1)CaCO3或2)Li2CO3和Li2SiO3或它们的组合可以经由具有约600℃至约900℃(包括示例值约650℃、约700℃、约750℃、约800℃和约850℃)的温度的第一传热介质执行。在某方面，第一传热介质从热源加热。还要理解的是，热源可以包括本文描述的任何热源，例如且不限于，超临界CO2的太阳热能源。
方面
鉴于所描述的系统和方法及其变型，本文以下描述了本发明的某些更加具体描述的方面。这些具体叙述的方面不应以任何方式被解读为对本文中描述的包含不同或更一般教导的任何不同权利要求具有任何限制作用，或被解读为除了按照字面用于其中的语言和公式的内在含义之外，“具体的”方面以某种方式在某种程度上被限定。
方面1：一种用于储存能量的系统包括：a)包括CO2吸附剂的反应器，CO2吸附剂包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或它们的组合；和b)CO2源，其中CO2源与反应器流体连通，以允许在CO2源和反应器之间的CO2流动。
方面2：根据方面1所述的系统，其中系统还包括：c)热源；和d)被配置为与热源和反应器热连通的第一传热介质容器。
方面3：根据方面1或2所述的系统，其中反应器是热交换反应器。
方面4：根据方面1或2所述的系统，其中反应器是绝热反应器。
方面5：根据方面1-4中任一个所述的系统，其中系统还包括发电装置和被配置为与反应器和发电装置热连通的第二传热介质容器。
方面6：根据方面5所述的系统，其中发电装置包括蒸汽发生器和涡轮机。
方面7：根据方面5所述的系统，其中发电装置经由第一传热介质容器或第二传热介质容器热与热源进一步热连通。
方面8：根据方面1-7中任一个所述的系统，其中CO2吸附剂是热处理的CO2吸附剂。
方面9：根据方面1-8中任一个所述的系统，其中CO2吸附剂包括CaO和钙铝石。
方面10：根据方面1-8中任一个所述的系统，其中CO2吸附剂包括Li4SiO4。
方面11：根据方面2-10中任一个所述的系统，其中系统被配置为在约600℃至约950℃的温度下经由所述第一传热介质容器从热源向反应器输送传热介质。
方面12：根据方面1-11中任一个所述的系统，其中系统还包括与CO2源和反应器流体连通的气体膨胀机。
方面13：根据方面1-12中任一个所述的系统，其中热源是太阳热能源。
方面14：根据方面2-13中任一个所述的系统，其中热源是具有至少600℃的温度的超临界CO2。
方面15：根据方面2-14中任一个所述的系统，其中第一传热介质容器包括第一传热介质。
方面16：根据方面15所述的系统，其中第一传热介质包括液态金属、超临界CO2、氦、氮、空气或惰性气体。
方面17：根据方面4-16中任一个所述的系统，其中绝热反应器与超临界CO2热连通。
方面18：一种储存能量的方法，包括以下步骤：a)在反应器中，加热1)CaCO3和钙铝石或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合，从而促进吸热化学反应，以产生CO2和包括i)CaO和钙铝石或ii)Li4SiO4、或它们的组合的CO2吸附剂；和b)将CO2与CO2吸附剂分离。
方面19：根据方面18所述的方法，其中方法还包括步骤c)将CO2与CO2吸附剂结合从而促进放热化学反应，以产生热量和1)CaCO3和钙铝石或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合。
方面20：根据方面18-19所述的方法，其中步骤a)-c)被重复至少1,000次，其中贯穿该方法在步骤c)中可以与CO2吸附剂反应的CO2的量是在执行该方法之前可以与CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。
方面21：根据方面18-19所述的方法，其中步骤a)-c)被重复1,000至20,000次，其中贯穿该方法在步骤c)中可以与CO2吸附剂反应的CO2的量是在执行该方法之前可以与CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。
方面22：根据方面18-21中任一个所述的方法，其中方法还包括d)将热量传递至具有第一温度的传热介质，从而将传热介质加热至高于第一温度的第二温度。
方面23：根据方面16所述的方法，其中方法还包括e)将传热介质至发电装置，并且利用来自传热介质的热量产生电力。
方面24：根据方面18-23中任一个所述的方法，其中加热1)CaCO3或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合是经由具有约600℃至约950℃的温度的第一传热介质执行的。
方面25：根据方面24所述的方法，其中方法还包括从热源加热第一传热介质。
方面26：根据方面25所述的方法，其中热源是太阳热能源或超临界CO2。
方面27：根据方面18-26中任一个所述的方法，其中CO2吸附剂包括CaO和钙铝石。
方面28：根据方面18-27中任一个所述的方法，其中CO2吸附剂包括Li4SiO4。
方面29：根据方面18-28中任一个所述的方法，其中反应器是热交换反应器。
方面30：根据方面18-28中任一个所述的方法，其中反应器是绝热反应器。
方面31：根据方面18-30中任一个所述的方法，其中分离的CO2被输送至CO2源。
方面32：根据方面31所述的方法，其中CO2源是CO2储存罐。
实施例
提出以下实施例以便为本领域普通技术人员提供关于如何制作和评价本文请求保护的化合物、组合物、制品、装置和/或方法的完整公开和说明，并且旨在纯粹示例性的而不为限制公开内容。已经做出努力来确保针对数字(例如，量、温度等)的准确性，但是一些错误和偏差应当被考虑在内。除非另有指明，份是重量份，温度以℃为单位或是环境温度，并且压力是大气压或近大气压。
实施例1
使用用22.5体积％的CO2(余量为N2)碳酸化1h、而后是使用N2的再生1h的循环，用25mg吸附剂在750℃下进行热重分析(TGA测试)。结果显示了CO2的初始低摄取，其经循环从低值0.05gCO2/g吸附剂逐渐增加。在达到最大能力——约0.4gCO2/g吸附剂之前，进行了将近200次循环。不希望受任何理论束缚，随着摄取能力逐渐增加，该活化周期归因于构建吸附剂的表面形态和增加的通向孔结构的通道。
在相同循环条件下的相同吸附剂上执行了两组后续的TGA测试，然而，活化周期被加在运行开端。在125℃下干燥30min后，材料在900℃下焙烧10min以驱除挥发物，并且随后材料被保持在750℃、含25％CO2的N2中的单次连续碳酸化半循环中12小时。然后，材料如同在第一轮中那样被循环。推测通过允许材料在单次延长的活化周期中构建结构，后续循环将满负载进行。已证明，可以获得具有0.4g/g的高容量的、在第一次循环中完全活化的材料。在100次循环的循环测试期间，吸附剂显示出高容量和几近完美的耐久性。已发现，第一长循环之后和50次循环之后，未发生材料的测量孔径分布的实质改变，然而新鲜材料的测量孔径分布显示显著更多的微孔。这证明了初始热处理重构并稳定化了吸附剂的孔形态，从而在热处理之后立即实现了定态。

Claims (20)

1.一种用于储存能量的系统，包括：
a)包括CO2吸附剂的反应器，所述CO2吸附剂包括i)CaO和钙铝石、或ii)Li4SiO4、或它们的组合；和
b)CO2源，其中所述CO2源与所述反应器流体连通，以允许在所述CO2源和所述反应器之间的CO2流动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括：
c)热源；和
d)第一传热介质容器，所述第一传热介质容器被配置为与所述热源和所述反应器热连通。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应器是热交换反应器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应器是绝热反应器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括发电装置和第二传热介质容器，所述第二传热介质容器被配置为与所述反应器和所述发电装置热连通。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述发电装置经由所述第一传热介质容器或所述第二传热介质容器与所述热源进一步热连通。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述CO2吸附剂是经热处理的CO2吸附剂。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述系统被配置为在约600℃至约950℃的温度下经由所述第一传热介质容器从所述热源向所述反应器输送传热介质。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括与所述CO2源和所述反应器流体连通的气体膨胀机。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述热源是太阳热能源。
11.根据权利要求4所述的系统，其中绝热反应器与超临界CO2热连通。
12.一种储存能量的方法，包括以下步骤：
a)在反应器中，加热1)CaCO3和钙铝石、或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合，从而促进吸热化学反应，以产生CO2和包括i)CaO和钙铝石、或ii)Li4SiO4、或它们的组合的CO2吸附剂；和
b)将所述CO2与所述CO2吸附剂分离。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述方法还包括步骤c)将CO2与所述CO2吸附剂结合从而促进放热化学反应，以产生热量和1)CaCO3和钙铝石、或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中步骤a)-c)被重复至少1,000次，其中贯穿所述方法在步骤c)中能与所述CO2吸附剂反应的CO2的量是在执行所述方法之前能与所述CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。
15.根据权利要求13所述的方法，其中步骤a)-c)被重复1,000至20,000次，其中贯穿所述方法在步骤c)中能与所述CO2吸附剂反应的CO2的量是在执行所述方法之前能与所述CO2吸附剂反应的CO2的量的至少90％。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述方法还包括d)将热量传递至具有第一温度的传热介质，从而将所述传热介质加热至高于所述第一温度的第二温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法还包括e)将所述传热介质输送至发电装置，并且利用来自所述传热介质的热量产生电力。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述加热1)CaCO3或2)Li2CO3和Li2SiO3、或它们的组合是经由具有约600℃至约950℃的温度的第一传热介质执行的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法还包括从热源加热所述第一传热介质。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述热源是太阳热能源或超临界CO2。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113691218A (zh) * 2021-07-24 2021-11-23 华北电力大学（保定） 一种带化学提质蓄热的光伏温差发电联合储能系统
CN115076599A (zh) * 2022-04-28 2022-09-20 哈尔滨工业大学 一种直接接触式气热共储装置及储能系统

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200248971A1 (en) * 2017-09-25 2020-08-06 Southern Research Institute High temperature thermochemical energy storage system
CN108499515B (zh) * 2018-03-05 2021-01-05 昆明理工大学 一种掺杂型co2钙基吸附剂的制备方法
DE102019107440A1 (de) * 2019-03-22 2020-09-24 Otto-Von-Guericke-Universität Magdeburg Feststoffreaktor, System und Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung
AU2020404450A1 (en) * 2019-12-18 2022-06-30 Curtin University Thermal battery
US11913362B2 (en) 2020-11-30 2024-02-27 Rondo Energy, Inc. Thermal energy storage system coupled with steam cracking system
US12018596B2 (en) 2020-11-30 2024-06-25 Rondo Energy, Inc. Thermal energy storage system coupled with thermal power cycle systems
US11913361B2 (en) 2020-11-30 2024-02-27 Rondo Energy, Inc. Energy storage system and alumina calcination applications
EP4150282A2 (en) * 2020-11-30 2023-03-22 Rondo Energy, Inc. Energy storage system and applications
US11740031B1 (en) * 2022-03-04 2023-08-29 Battelle Savannah River Alliance, Llc High temperature thermochemical energy storage materials

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1795257A (zh) * 2003-05-29 2006-06-28 阿尔斯托姆科技有限公司 能移走co2并产生h2的热固体气化器
CN1917263A (zh) * 2006-07-17 2007-02-21 昆明理工大学 一种固体氧化物燃料堆生物质气体循环系统与方法
CN101972599A (zh) * 2010-10-28 2011-02-16 绍兴文理学院 钙基co2吸收与再生装置
CN102786236A (zh) * 2012-08-17 2012-11-21 西安瑞驰节能工程有限责任公司 一种实现石灰生产过程中二氧化碳捕集的设备及方法
CN103133071A (zh) * 2011-11-21 2013-06-05 西门子公司 热能量储存和回收系统

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4343989A (en) 1980-11-24 1982-08-10 Brosnan Denis A Magnesium oxide based heat storage device
JP2007083126A (ja) 2005-09-20 2007-04-05 Hirosaki Univ 酸素貯蔵物質および自動車排ガス浄化用三元触媒における酸素貯蔵方法
WO2010054427A1 (en) 2008-11-11 2010-05-20 The University Of Queensland A method for producing sorbents for co2 capture under high temperatures
US20100196259A1 (en) 2009-02-05 2010-08-05 Air Products And Chemicals, Inc. CO2-Sorptive Pellets and Uses Thereof
NO332371B1 (no) 2009-07-07 2012-09-03 Inst Energiteknik Partikulær, heterogen, fast CO2 absorberende blanding, fremgangsmåte for dens fremstilling og fremgangsmåte for å separere CO2 fra prosessgasser ved bruk av denne
WO2011035241A1 (en) * 2009-09-18 2011-03-24 Wormser Energy Solutions, Inc. Integrated gasification combined cycle plant with char preparation system
CA2814454A1 (en) 2009-10-13 2011-09-01 Wayne Thomas Bliesner Reversible hydride thermal energy storage cell optimized for solar applications
CA2745987A1 (en) 2011-07-04 2013-01-04 Her Majesty The Queen In Right Of Canada As Represented By The Ministeof Natural Resources Sorbent pellets including oxygen carriers
TWI630021B (zh) 2012-06-14 2018-07-21 艾克頌美孚研究工程公司 用於ｃｏ捕捉／利用和ｎ製造之變壓吸附與發電廠的整合
CN103746083B (zh) 2013-12-19 2016-10-05 华中科技大学 一种用于高温储能电池的密封材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1795257A (zh) * 2003-05-29 2006-06-28 阿尔斯托姆科技有限公司 能移走co2并产生h2的热固体气化器
CN1917263A (zh) * 2006-07-17 2007-02-21 昆明理工大学 一种固体氧化物燃料堆生物质气体循环系统与方法
CN101972599A (zh) * 2010-10-28 2011-02-16 绍兴文理学院 钙基co2吸收与再生装置
CN103133071A (zh) * 2011-11-21 2013-06-05 西门子公司 热能量储存和回收系统
CN102786236A (zh) * 2012-08-17 2012-11-21 西安瑞驰节能工程有限责任公司 一种实现石灰生产过程中二氧化碳捕集的设备及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CONG LUO: "《Enhanced cyclic stability of CO2 adsorption capacity of CaO-based sorbents using La2O3 or Ca12Al14O33 as additives》", 《KOREAN JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING》 *
R. CHACARTEGUI: "《Thermochemical energy storage of concentrated solar power by integration of the calcium looping process and a CO2 power cycle》", 《ELSEVIER》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113691218A (zh) * 2021-07-24 2021-11-23 华北电力大学（保定） 一种带化学提质蓄热的光伏温差发电联合储能系统
CN115076599A (zh) * 2022-04-28 2022-09-20 哈尔滨工业大学 一种直接接触式气热共储装置及储能系统

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US20170362090A1 (en) 2017-12-21
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