Techno-economic analysis of calcium looping concentrated solar power thermochemical energy storage integrated with advanced power cycle systems
Martola, Henrik (2025)
Diplomityö
Martola, Henrik
2025
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025062775160
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025062775160
Tiivistelmä
Global energy storage capacity has increased considerably in recent years due to climate change mitigation. Thermochemical energy storage has attracted great interest due to its high energy density and possible use in both electricity and heat production. Calcium looping integrated with concentrated solar power is the most promising thermochemical energy storage option for electricity production. This thesis provides a techno-economic analysis of three different calcium looping thermochemical energy storage systems with 12 h calcination and 24 h carbonation, which use either a supercritical CO₂ Brayton cycle, an advanced ultra-supercritical steam Rankine cycle, or a low-pressure CO₂ turbine after the carbonator. Pure CO₂ and low CO₂ partial pressure calcination are also tested to see differences in the calcination heat duties. Aspen Plus was used for reactor simulations, and all other techno-economic calculations were done in Excel. The best process used pure CO₂ calcination with extra CO₂ in the carbonation, which was expanded in a low-pressure CO₂ turbine. This process produced 21 MW during nighttime with 51 % electrical efficiency. Its capital expenditure was 228 M$, and LCOE was 237 $/MWh. However, LCOE was significantly higher compared to pumped hydro storage, lithium-ion storage, or a regular concentrated solar power plant with molten salt thermal energy storage. Reactors, heliostat field, and tower accounted for over 80 % (over 180 M$) of total capital expenditures, and their price should decrease significantly to make calcium looping thermochemical energy storage economically feasible for large-scale operation. One reactor should be used to decrease for both calcination and carbonation to reduce capital expenditures. Globaali energian varastointikapasiteetti on kasvanut merkittävästi viime vuosina ilmastonmuutoksen hillitsemisen seurauksena. Termokemialliset energiavarastot ovat herättäneet suurta kiinnostusta korkean energiatiheytensä sekä sähkö- ja lämpötuotanto mahdollisuuden vuoksi. Keskittävään aurinkovoimaan yhdistetty kalsiumkierto on lupaavin termokemiallinen energiavarasto vaihtoehto sähköntuotantoon. Tämä diplomityö esittelee teknoekonomisen analyysin kolmesta termokemiallisesta kalsiumkierto energiavarastosta, joissa käytetään 12 h kalsinointia ja 24 h karbonointia. Sähköntuotantoon käytetään joko ylikriittistä CO₂ Brayton-sykliä, edistynyttä ultra-superkriittistä höyry Rankine-sykliä tai matalapaine CO₂-turbiinia karbonoinnin jälkeen. Lisäksi analysoidaan puhtaan CO₂ sekä matalaosapaineisen CO₂ vaikutusta kalsinoinnin energiatarpeeseen. Reaktorisimulaatiot toteutettiin Aspen Plus -ohjelmistolla, ja muut teknoekonomiset laskelmat tehtiin Excelissä. Paras prosessi hyödynsi puhdasta CO₂ kalsinoinnissa ja ylimääräistä CO₂ karbonoinnissa, jota hyödynnetään tuottamaan sähköä matalapaine- CO₂-turbiinissa. Tämä prosessi tuotti yöllä 21 MW sähköä 51 % sähköhyötysuhteella. Sen kokonaispääomakustannukset olivat 228 M$ ja LCOE oli 237 $/MWh. LCOE oli kuitenkin selvästi korkeampi verrattuna vesivoimaenergiavarastoihin, litiumioniakku-varastoihin tai tavanomaiseen keskitettyyn aurinkovoimaan sulasuolalämpövarastolla. Reaktorit, heliostaattikenttä ja torni vastasivat yli 80 % (yli 180 M$) pääomakustannuksista, ja niiden hintojen tulisi laskea merkittävästi, jotta termokemiallinen kalsiumkierto energiavarasto olisi taloudellisesti kannattavaa suuressa mittakaavassa. Yhtä reaktoria tulisi käyttää sekä kalsinointiin että karbonointiin pääomakustannusten vähentämiseksi.