Characterization of Copper Slag for thermal energy storage

Abstract

Due to the increasing energy demand predicted for the following 30 years, the integration of renewable energy to the global energy grid, is considered one of the most important strategies to fight climate change. Since solar energy is one of the largest energy sources available, the development and improvement of solar technologies is a key point for this purpose, especially for solar thermal technologies. Establishing high temperature thermal storage systems makes it possible to develop higher concentrated solar power (CSP) generation. By storing heat in a material at high temperatures, a power block (usually a steam turbine) can be connected to the storage system, allowing the supply of energy regardless of the solar resource. Several authors have characterized by-products and recycled materials from different industries, to be used as filler material for packed-bed thermal energy storage (TES) systems, due to their low cost and high thermo-physical properties; instead of commonly used molten salts, which, despite having a high thermal capacity, their limited operating temperature range, especially their high freezing points, and costs associated with acquisition and maintenance of the system, present major obstacles to the development of CSP technologies. Therefore, different alternatives are being studied, especially industrial by-products, due to their low cost and high availability. A potential alternative for high temperature thermal storage is copper slag. This material is composed mainly of ferrous elements, which offer potential thermophysical properties, especially since it is a by-product of a high temperature process (melting point near 1300oC). In the present work, an experimental approach for the characterization of copper slag is carried out, with the objective of evaluating the thermo-physical properties of copper slag, specifically: thermal stability, specific heat, thermal conductivity and density. Through thermal gravimetric analysis, it was possible to determine the thermal stability of copper slag after being thermally treated three times up to 800oC. The DSC analysis concluded that copper slag has high Cp values, from 1.4 to 2.1 [J=gK], in a temperature range from 100oC to 500oC, with unstable behavior and reactive to certain temperature points, for samples that were not previously thermally stabilized. However, a Cp curve with linear behavior from 0.8 to 1.1 [J=gK], was obtained, on a test from room temperature to 450oC, for a thermally stabilized sample, which is consistent to literature. These results are relatively high compared to conventional materials and materials from literature. The KD2 Pro device results presented a consistent reverse relation between porosity and thermal conductivity, however the amount of results were not enough to determine thermal conductivity of a full size slag sample. Average Density results were 3456 [kg=m3] to 3715 [kg=m3], which in addition to Cp results, imply an overall high thermal capacity for copper slag. However, results and analysis at higher temperatures were not possible to obtain, being a large part of the interest of the characterization of copper slag. It is presented as future work, to complement the characterization with experimental analyses in a range of temperature greater than 600oC

Debido a la creciente demanda energética prevista para los próximos 30 años, la integración de las energías renovables en la red energética mundial, se considera una de las estrategias más importantes para combatir el cambio climático. Dado que la energía solar es una de las fuentes de energía más grandes disponibles, el desarrollo y la mejora de las tecnologías solares es un punto clave, especialmente para tecnologías termosolares. Establecer sistemas de almacenamiento térmico de altas temperaturas, posibilita el desarrollo de sistemas de concentración solar de alta potencia (CSP). Al almacenar calor a latas temperaturas en un material, se puede conectar un bloque de potencia (generalmente una turbina de vapor) al sistema de almacenamiento, permitiendo el suministro de energía independiente del recurso solar en el momento. Varios autores han caracterizado subproductos y materiales reciclados de diferentes industrias, con potenciales propiedades termo-físicas para ser utilizados como material de relleno para sistemas de almacenamiento térmico packed-bed, debido a su bajo costo y propiedades termo-físicas altas; en vez de la utilización de sales fundidas, las cuales, a pesar de tener una alta capacidad térmica, su limitado rango de temperaturas de operación, especialmente sus altos puntos de congelación, y costos asociados a adquisición y al mantenimiento del sistema, presentan obstáculos importantes para el desarrollo de tecnologías CSP. Por ello, se están estudiando diferentes alternativas, especialmente los subproductos industriales, debido a su bajo costo y gran disponibilidad. Una alternativa potencial para el almacenamiento térmico a alta temperatura es la escoria de cobre. Este material está compuesto principalmente de elementos ferrosos, que ofrecen potenciales propiedades termofísicas, especialmente debido a que es un subproducto de un proceso de alta temperatura (punto de fusión a los 1300oC). En este trabajo se presenta un enfoque experimental para la caracterización de escoria de cobre, con el objetivo de evaluar las propiedades termo-físicas de la escoria de cobre, específicamente: estabilidad térmica, calor específico, conductividad térmica y densidad. Mediante análisis de gravimetría, fue posible determinar la estabilidad térmica de la escoria de cobre luego de ser tratada térmicamente tres veces hasta 800oC. El análisis DSC concluyó que la escoria de cobre tiene un alto valor de Cp, de 1.4 a 2.1 [J=gK] en un rango de temperatura de 100 a 500oC, con comportamientos inestables y reactivos con la temperatura, para muestras que no fueron previamente térmicamente estabilizadas. Sin embargo, se obtiene una curva de Cp con comportamiento lineal, de 0.8 a 1.1 [J=gK], desde temperatura ambiente a 450oC, para una muestra estabilizadas térmicamente, siendo consistente con la literatura. Estos resultados son relativamente altos en comparación a materiales convencionales y materiales en estudio. Los resultados de densidad presentaron un promedio de 3456 [kg=m3] a 3715 [kg=m3], que junto con los resultados de Cp, implican una alta capacidad térmica para la escoria de cobre. Sin embargo, resultados y análisis a temperaturas mayores no fueron posibles de obtener, siendo gran parte del interés de la caracterización de escoria de cobre. Se presenta como trabajo a futuro, complementar la caracterización con análisis experimentales en un rango de temperatura mayor a los 600oC.