Sviluppo e validazione di modelli cinetici descrittivi dei sistemi termochimici selezionati e di un modello teorico descrittivo delle prestazioni dell’unità di accumulo termochimico in diverse configurazioni geometriche e condizioni operative

Sistemi di accumulo termochimico, che utilizzano reazioni chimiche reversibili, costituiscono un’interessante prospettiva per lo storage sia su tempi brevi che stagionale; particolarmente interessante appare il sistema basato sulla carbonatazione di CaO supportato su mayenite, in modo da migliorarne le caratteristiche di ciclabilità. Nella linea di ricerca a cui si riferisce questo rapporto, sono stati analizzati i dati termogravimetrici ottenuti nei laboratori dell’ENEA, relativi alla carbonatazione del materiale a base di CaO, sintetizzato negli stessi laboratori, in un range di temperatura da 600 a 800°C e a diverse pressioni di CO2. Sulla base di questa analisi, vengono stimati i parametri di un modello shrinking core multigrain per descrivere la cinetica della carbonatazione delle singole particelle: il modello considera la cinetica della diffusione della CO2 attraverso lo strato di carbonato di calcio con diffusività decrescente all’aumentare della conversione nonché la cinetica della reazione, sulla superficie del nucleo di ossido di calcio non ancora convertito, del primo ordine rispetto alla differenza tra concentrazione di CO2 e la concentrazione di CO2 in condizioni di equilibrio termodinamico. Il modello è stato quindi inserito nella simulazione del funzionamento di un reattore di carbonatazione a letto fisso; in questo caso, si evidenzia come la carbonatazione del letto avvenga con la formazione di un fronte di reazione che si muove lungo il reattore; al fronte di reazione è associato a un incremento di temperatura dell’ordine di grandezza di 200°C. Come prevedibile, il tempo necessario per la carbonatazione diminuisce all’aumentare della concentrazione di CO2; parallelamente, il modello ha indicato che un design del reattore con un rapporto di snellezza inferiore a quello normalmente utilizzato nei reattori a letto fisso può portare a una riduzione del tempo necessario per la carbonatazione. Relativamente alla fase di calcinazione viene presentata un’analisi basata esclusivamente su considerazioni termodinamiche, che ha permesso di individuare le condizioni limite in cui è possibile operare. In particolare, è stato ricavato il rapporto minimo tra la portata di gas e la massa di solido caricato nel reattore necessario per avere la completa calcinazione del letto in un tempo assegnato, la relazione tra il tempo necessario per la calcinazione e la pressione di esercizio e, infine, l’andamento della temperatura di calcinazione in funzione della temperatura del gas e della pressione.