The development of metal hydrides using as concentrating solar thermal storage materials

Abstract

Metal hydrides high temperature thermal heat storage technique has great promising future prospects in solar power generation, industrial waste heat utilization and peak load regulating of power system. This article introduces basic principle of metal hydrides for thermal storage, and summarizes developments in advanced metal hydrides high-temperature thermal storage materials, numerical simulation and thermodynamic calculation in thermal storage systems, and metal hydrides thermal storage prototypes. Finally, the future metal hydrides high temperature thermal heat storage technique is been looked ahead.

Keywords

metal hydride / concentrating solar power / heat storage

References

[1] Azzopardi B, Emmott C, Urbina A, . Economic assessment of solar electricity production from organic-based photovoltaic modules in a domestic environment. Energy & Environmental Science, 2011, 4(10): 3741–3753

[2] Stoddard L, Abiecunas J, O'Connell R. Economic, energy, and environmental benefits of concentrating solar power in California. Subcontract Report NREL/SR-550-39291, 2006,1–69

[3] Liu C, Li F, Ma L-P, . Advanced materials for energy storage. Advanced Materials, 2010, 22(8): E28–E62

[20] Aydin D, Casey S, Riffat S. The latest advancements on thermochemical heat storage systems. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 41: 356–367

[21] Pardo P, Deydier A, Anxionnaz-Minvielle Z, . A review on high temperature thermochemical heat energy storage. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 32: 591–610

[22] Yu N, Wang R, Wang L. Sorption thermal storage for solar energy. Progress in Energy and Combustion Science, 2013, 39(5): 489–514

[23] Mette B, Kerskes H, Drück H, . New highly efficient regeneration process for thermochemical energy storage. Applied Energy, 2013, 109: 352–359

[47] Zhou D, Zhao C, Tian Y. Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications. Applied Energy, 2012, 92: 593–605

[48] Cárdenas B, León N. High temperature latent heat thermal energy storage: Phase change materials, design considerations and performance enhancement techniques. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2013, 27: 724–737

[7] Libowitz G. Metal hydrides for thermal energy storage. In: The 9th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1974, 1: 322–325

[8] Sakintuna B, Lamari-Darkrim F, Hirscher M. Metal hydride materials for solid hydrogen storage: a review. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32(9): 1121–1140

[9] Williams M. CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC Press, 2014

[10] Zaluska A, Zaluski L, Ström-Olsen J O. Nanocrystalline magnesium for hydrogen storage. Journal of Alloys and Compounds, 1999, 288(1–2): 217–225

[11] Zaluski L, Zaluska A, Ström-Olsen J. Hydrogenation properties of complex alkali metal hydrides fabricated by mechano-chemical synthesis. Journal of Alloys and Compounds, 1999, 290(1–2): 71–78

[12] Wan Q, Li P, Li Z, . NaAlH₄ dehydrogenation properties enhanced by MnFe₂O₄ nanoparticles. Journal of Power Sources, 2014, 248: 388–395

[13] Wan Q, Li P, Li Z, . Improved hydrogen storage performance of MgH₂–LiAlH₄ composite by addition of MnFe₂O₄. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(51): 26940–26947

[14] Li P, Li Z, Zhai F, . NiFe₂O₄ nanoparticles catalytic effects of improving LiAlH₄ dehydrogenation properties. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(49): 25917–25925

[15] Li Z, Li P, Wan Q, . Dehydrogenation improvement of LiAlH₄ catalyzed by Fe₂O₃ and Co₂O₃ nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(36): 18343–18352

[16] Li P, Wan Q, Li Z, . MgH₂ dehydrogenation properties improved by MnFe₂O₄ nanoparticles. Journal of Power Sources, 2013, 239: 201–206

[17] Zhai F, Li P, Sun A, . Significantly improved dehydrogenation of LiAlH₄ destabilized by MnFe₂O₄ nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(22): 11939–11945

[18] Murthy S S, Kumar E A. Advanced materials for solid state hydrogen storage: “Thermal engineering issues”. Applied Thermal Engineering, 2014, 72(2): 176–189

[19] Corgnale C, Hardy B, Motyka T, . Screening analysis of metal hydride based thermal energy storage systems for concentrating solar power plants. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 38: 821–833

[24] Wierse M, Werner R, Groll M. Magnesium hydride for thermal energy storage in a small-scale solar-thermal power station. Journal of the Less Common Metals, 1991, 172–174: 1111–1121

[25] Reiser A, Bogdanović B, Schlichte K. The application of Mg-based metal-hydrides as heat energy storage systems. International Journal of Hydrogen Energy, 2000, 25(5): 425–430

[26] Bogdanović B, Hofmann H, Neuy A, . Ni-doped versus undoped Mg–MgH₂ materials for high temperature heat or hydrogen storage. Journal of Alloys and Compounds, 1999, 292(1–2): 57–71

[27] Terzieva M, Khrussanova M, Peshev P. Hydriding and dehydriding characterisitics of Mg–LaNi₅ composite materials prepared by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds, 1998, 267: 235–239

[28] Vijay R, Sundaresan R, Maiya M P, . Comparative evaluation of Mg–Ni hydrogen absorbing materials prepared by mechanical alloying. International Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30(5): 501–508

[29] Shao H, Xin G, Zheng J, . Nanotechnology in Mg-based materials for hydrogen storage. Nano Energy, 2012, 1(4): 590–601

[30] Bogdanović B, Ritter A, Spliethoff B. Active MgH₂–Mg systems for reversible chemical energy storage. Angewandte Chemie International Edition in English, 1990, 29(3): 223–234

[31] Ritschel M, Uhlemann M, Gutfleisch O, . Hydrogen storage in different carbon nanostructures. Applied Physics Letters, 2002, 80(16): 2985–2987

[32] Bacsa R, Laurent C, Morishima R, . Hydrogen storage in high surface area carbon nanotubes produced by catalytic chemical vapor deposition. Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(34): 12718–12723

[33] Saita I, Toshima T, Tanda S, . Hydrogen storage property of MgH₂ synthesized by hydriding chemical vapor deposition. Journal of Alloys and Compounds, 2007, 446–447: 80–83

[34] House S, Liu X, Rockett A, . Characterization of the dehydrogenation process of LiBH₄ confined in nanoporous carbon. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(17): 8843–8851

[35] Guo L, Jiao L, Li L, . Enhanced desorption properties of LiBH₄ incorporated into mesoporous TiO₂. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38(1): 162–168

[36] Suh M P, Park H J, Prasad T K, . Hydrogen storage in metal–organic frameworks. Chemical Reviews, 2012, 112(2): 782–835

[37] Jeon K J, Moon H R, Ruminski A M, . Air-stable magnesium nanocomposites provide rapid and high-capacity hydrogen storage without using heavy-metal catalysts. Nature Materials, 2011, 10(4): 286–290

[38] Huot J, Boily S, Akiba E, . Direct synthesis of Mg₂FeH₆ by mechanical alloying. Journal of Alloys and Compounds, 1998, 280(1–2): 306–309

[39] Gennari F C, Castro F J, Gamboa J A. Synthesis of Mg₂FeH₆ by reactive mechanical alloying: formation and decomposition properties. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 339(1–2): 261–267

[40] Felderhoff M, Bogdanović B. High temperature metal hydrides as heat storage materials for solar and related applications. International Journal of Molecular Sciences, 2009, 10(1): 325–344

[41] Bogdanović B, Reiser A, Schlichte K, . Thermodynamics and dynamics of the Mg–Fe–H system and its potential for thermochemical thermal energy storage. Journal of Alloys and Compounds, 2002, 345(1–2): 77–89

[42] Felderhoff M, Urbanczyk R, Peil S. Thermochemical heat storage for high temperature applications – a review. Green, 2013, 3(2): 113–123

[43] Kuznetsov V. Eleventh conference on energy conversion and research on thermoelectronic emission in the USA. Atomic Energy, 1977, 42(5): 485–487

[44] Harries D. A novel thermochemical energy storage technology. In: Proceedings of the EcoGeneration Conference, Sydney, Australia, 2010

[45] Agyenim F, Hewitt N, Eames P, . A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS). Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(2): 615–628

[46] Fan L, Khodadadi J. Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage: a review. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(1): 24–46

[49] Olszewski M, Siman-Tov M. Development of encapsulated lithium hydride thermal energy storage. Energy Conversion Engineering Conference, IECEC-89. In: Proceedings of the 24th Intersociety, IEEE, 1989, 2903–2919

[50] Bennett C. Persistent Monitoring Platforms Final Report. Livermore, CA: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), 2007

[51] Friedlmeier G, Wierse M, Groll M. Titanium hydride for high-temperature thermal energy storage in solar-thermal power stations. Zeitschriftfür Physikalische Chemie, 1994, 183(1–2): 175–183

[52] Qu H, Du J, Pu C, . Effects of Co introduction on hydrogen storage properties of Ti–Fe–Mn alloys. International Journal of Hydrogen Energy, 2015, 40(6): 2729–2735

[53] Cao G, Peng Y, Liu N, . Formation of a bimodal structure in ultrafine Ti–Fe–Nb alloys with high-strength and enhanced ductility. Materials Science and Engineering A, 2014, 609: 60–64

[54] Kundin J, Kumar R, Schlieter A, . Phase-field modeling of eutectic Ti–Fe alloy solidification. Computational Materials Science, 2012, 63: 319–328

[55] Cao G, Liu N, Peng J, . Transmission electron microscopy study of the microstructure of a Ti–Fe–Zr alloy. Materials Characterization, 2013, 83: 43–48

[56] Song G, Han J, Kim T, . Heterogeneous eutectic structure in Ti–Fe–Sn alloys. Intermetallics, 2011, 19(4): 536–540

[57] Lu X, Zou X, Li C, . Green electrochemical process solid-oxide oxygen-ion-conducting membrane (SOM): direct extraction of Ti–Fe alloys from natural ilmenite. Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science, 2012, 43(3): 503–512

[58] Pettan G, Afonso C, Spinelli J. Microstructure development and mechanical properties of rapidly solidified Ti–Fe and Ti–Fe–Bi alloys. Materials & Design, 2015, 86: 221–229

[59] Panigrahi M, Shibata E, Iizuka A, . Production of Fe–Ti alloy from mixed ilmenite and titanium dioxide by direct electrochemical reduction in molten calcium chloride. Electrochimica Acta, 2013, 93: 143–151

[60] Ruetzler K, Kovaci B, Güloglu E, . Forced-air and a novel patient-warming system (vitalHEAT vH₂) comparably maintain normothermia during open abdominal surgery. Anesthesia and Analgesia, 2011, 112(3): 608–614

[61] Medoro G, Manaresi N. Method and apparatus for the manipulation of particles in conductive solutions. US Patent, 8 349 160, 2013-1-8

[62] Imam S M, Azmy A M. Sizing and economic analysis of stand-alone PEM fuel cell systems for residential utilization. International Review of Applied Sciences and Engineering, 2015, 6(1): 1–10

[63] Ono S, Nomura K, Ikeda Y. The reaction of hydrogen with alloys of vanadium and titanium. Journal of the Less Common Metals, 1980, 72(2): 159–165

[64] Yartys V A, Lototsky M V. An overview of hydrogen storage methods. In: Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. Netherlands: Springer, 2005, 75–104

[65] Dornheim M. Thermodynamics of metal hydrides: tailoring reaction enthalpies of hydrogen storage materials. INTECH Open Access Publisher, 2011

[66] Yang Y, Luo D, Guo W, . Hydrogen isotope effects in Ti–V–Cr alloy hydrides. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(7): 3481–3487

[67] Verbetsky V, Zotov T, Movlaev E. Absorption of hydrogen by V–Mo and V–Mo–Ti alloys. Inorganic Materials: Applied Research, 2014, 5(1): 70–74

[68] Verbetsky V, Lushnikov S, Movlaev E. Interaction of vanadium alloys with hydrogen at high pressures. Inorganic Materials, 2015, 51(8): 779–782

[69] Sheppard D, Paskevicius M, Buckley C. Thermodynamics of hydrogen desorption from NaMgH₃ and its application as a solar heat storage medium. Chemistry of Materials, 2011, 23(19): 4298–4300

[70] Sheppard D, Corgnale C, Hardy B, . Hydriding characteristics of NaMgH₂F with preliminary technical and cost evaluation of magnesium-based metal hydride materials for concentrating solar power thermal storage. RSC Advances, 2014, 4(51): 26552–26562

[71] Amama P B, Spowart J E, Voevodin A A, . Modified magnesium hydride and calcium borohydride for high-capacity thermal energy storage. In: The 8th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Honolulu, USA, 2011

[72] Placious B, Patrick J, Timothy S. Modified metal hydrides for high-capacity thermal energy storage. International Symposium and Exhibition − Emerging Opportunities: Materials and Process Solutions, 2012

[73] Alapati S V, Johnson J K, Sholl D S. Identification of destabilized metal hydrides for hydrogen storage using first principles calculations. Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(17): 8769–8776

[74] Alapati S, Johnson J, Sholl D. Predicting reaction equilibria for destabilized metal hydride decomposition reactions for reversible hydrogen storage. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(4): 1584–1591

[75] Kawamura M, Ono S, Higano S. Experimental studies on the behaviours of hydride heat storage system. Energy Conversion and Management, 1982, 22(2): 95–102

[76] Kawamura M, Ono S, Mizuno Y. Dynamic characteristics of a hydride heat storage system. Journal of the Less Common Metals, 1983, 89(2): 365–372

[77] Nishizaki T, Miyamoto K, Yoshida K. Coefficients of performance of hydride heat pumps. Journal of the Less Common Metals, 1983, 89(2): 559–566

[78] Yonezu I, Nasako K, Honda N, . Development of thermal energy storage technology using metal hydrides. Journal of the Less Common Metals, 1983, 89(2): 351–358

[79] Meng X Y, Bao Z W, Yang F S, . Theoretical investigation of solar energy high temperature heat storage technology based on metal hydrides. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 2011, 19(2): 149–158

[80] Bogdanović B, Bohmhammel K, Christ B, . Thermodynamic investigation of the magnesium–hydrogen system. Journal of Alloys and Compounds, 1999, 282(1–2): 84–92

[81] Ward P A, Corgnale C, Teprovich J Jr, . High performance metal hydride based thermal energy storage systems for concentrating solar power applications. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 645: S374–S378

[82] Gruen D, McBeth R, Mendelsohn M, . HYCSOS – A solar heating, cooling and energy conversion system based on metal hydrides. In: The 11th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1976, 1: 681–687

[83] Snape E, Huston E, Sandrock G. Development of solar-hydrogen systems using metal hydrides. Alternative Energy Sources II, 1981, 8: 3569–3586

[4] Anevi G, Jansson L, Lewis D. Dynamics of hydride heat pumps. Journal of the Less Common Metals, 1984, 104(2): 341–348

[5] Nagel M, Komazaki Y, Uchida M, . Operating characteristics of a metal hydride heat pump for generating cooled air. Journal of the Less Common Metals, 1984, 104(2): 307–318

[6] Ron M. A hydrogen heat pump as a bus air conditioner. Journal of the Less Common Metals, 1984, 104(2): 259–278

[84] Klein H, Groll M. Development of a two-stage metal hydride system as topping cycle in cascading sorption systems for cold generation.  Applied Thermal  Engineering,  2002,  22(6):  631–639

[85] Park J, Han S, Jang H, . The development of compressor-driven metal hydride heat pump (CDMHHP) system as an air conditioner. International Journal of Hydrogen Energy, 2002, 27(9): 941–944

[86] Bogdanović B, Spliethoff B, Ritter A. The magnesium hydride system for heat storage and cooling. Zeitschrift für Physikalische Chemie, 1989, 164(1–2): 1497–1508

[87] Bogdanović B, Ritter A, Spliethoff B, . A process steam generator based on the high temperature magnesium hydride/magnesium heat storage system. International Journal of Hydrogen Energy, 1995, 20(10): 811–822

[88] Steiner D. Development of a solar cooking/cooling unit with a thermochemical energy store based on metal hydrides. Fuel and Energy Abstracts, 1997, 38(3): 166

[89] Sekhar B S, Muthukumar P, Saikia R. Tests on a metal hydride based thermal energy storage system. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(4): 3818–3824

[90] Liu Z. Investigation on the thermal storage properties of RE–Mg material and design of thermal reactors. Dissertation for the Master Degree. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2015, 1

[91] Harries D, Paskevicius M, Sheppard D, . Concentrating solar thermal heat storage using metal hydrides. Proceedings of the IEEE, 2012, 100(2): 539–549

[92] Ronnebro E, Whyatt G, Powell M. Reversible metal hydride thermal energy storage systems, devices, and process for high temperature applications. US Patent Application Ser. No. 14/189,942, 2014-2-25

Acknowledgements

This study was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51471054) and the Beijing Natural Science Foundation (Grant No. 2152019).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg