Preliminary assessment of a thermal energy storage concept utilizing waste materials from mining operations

Abstract

This thesis contributes to a research and development project in a field previously unfamiliar to the commissioning company. The company operates in the mining and minerals refining sector. It aims to expand its expertise to energy storage applications, focusing on advancing the utilization of renewable energy sources at mining sites and repurposing the waste streams generated in the metals and minerals refining process.

The company intends to design and manufacture thermal energy storage (TES) systems based on modular geopolymer concrete elements. As a significant waste stream of mining operations, mine tailings would be used as a raw material for the geopolymer concrete. A TES integrated into renewable energy production systems such as wind and solar power would enhance the utilization of sustainable energy sources at mining sites. The company has made a conceptual design of the TES, and this thesis focuses on the modular geopolymer elements with an emphasis on their structural integrity and heat transfer solution.

The findings of this thesis indicate that the conceptual geopolymer elements could meet the requirements regarding structural integrity. However, the properties of the final geopolymer material must be experimentally verified, and further analysis must be conducted. The heat transfer solution of the TES remains unclear, as it must also be experimentally studied and further evaluated in terms of regulations. This thesis also presented cost estimations, but they are heavily dependent on the final geopolymer concrete mixture.

Tämä diplomityö liittyy kehitysprojektiin, joka on uudella alueella toimeksiantajayritykselle. Yritys toimii metallien ja mineraalien jalostussektorilla. Se pyrkii laajentamaan asiantuntemustaan energian varastointisovelluksiin keskittyen uusiutuvien energialähteiden hyödyntämisen edistämiseen kaivosalueilla ja metallien ja mineraalien jalostusprosessissa syntyvien jätevirtojen uudelleenkäyttöön.

Yritys aikoo suunnitella ja valmistaa lämpöenergian varastointijärjestelmiä (TES), jotka perustuvat modulaarisiin geopolymeeribetonielementteihin. Merkittävänä kaivostoiminnan jätevirtana rikastushiekkaa käytettäisiin raaka-aineena geopolymeeribetonille. Uusiutuvaan energiantuotantojärjestelmään, kuten tuuli- ja aurinkovoimaan, integroidulla TES-järjestelmällä edistettäisiin uusiutuvien energialähteiden hyödyntämistä kaivosalueilla. Yritys on tehnyt TES-järjestelmän konseptisuunnitelman, ja tämä diplomityö keskittyy modulaarisiin geopolymeerielementteihin painottaen niiden rakenteellista kestävyyttä ja lämmönsiirtoratkaisua.

Tämän diplomityön tulokset osoittavat, että konseptuaaliset geopolymeerielementit voisivat täyttää rakenteellisen kestävyyden vaatimukset. Kuitenkin lopullisen geopolymeerimateriaalin ominaisuudet on varmistettava kokeellisesti, jatutkimusta on jatkettava. TES-järjestelmän lämmönsiirtoratkaisu jää epäselväksi, koska sekin on tutkittava kokeellisesti ja arvioitava edelleen säännösten mukaisesti. Tässä diplomityössä esitettiin myös kustannusarvioita, mutta ne riippuvat suuresti lopullisesta geopolymeeribetoniseoksesta.