Thermal energy storage for high temperature solar applications

Resumen

Els sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica permeten l'aprofitament d'energia sobrant o residual de sistemes de producció en moments determinats, per al seu ús posterior. Per tant, aquests sistemes, aplicats a centrals solars de generació elèctrica, són de gran utilitat a l'hora de concordar la demanda amb la producció d'energia, així com reduir les puntes de consum. En aquesta tesi es presenten diverses publicacions científiques que, per una part, estudien de forma teòrica el nivell desenvolupament d'aquestes tecnologies i materials d'emmagatzemament tèrmic a alta temperatura en centrals solars i aplicacions industrials. També s'ha realitzat un Anàlisi de Cicle de Vida (LCA) on s'ha calculat de forma teòrica l'impacte ambiental que implica la construcció, explotació i posterior desmantellament de tres tipus d'aquests sistemes basats en diferents tecnologies i utilitzant diferents materials d'emmagatzemament. En un tercer estudi teòric s'analitza la forma d'extrapolar a escala industrial els resultats que s'obtenen a escales de planta pilot, o inclús laboratori. En la segona part s'ha desenvolupat un estudi experimental on s¿han estudiat diferents materials per a ésser utilitzats com a materials de canvi de fase (PCM) i s'ha dissenyat i construït una planta pilot de 20 kWt de potència per dur a terme els assajos del PCM finalment escollit. Els resultats experimentals que s'han obtingut han servit per avaluar el comportament del PCM i la viabilitat de la seva utilització en un prototip a gran escala per a una instal.lació real de refrigeració solar a la Universitat de Sevilla. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica permiten el aprovechamiento de la energía sobrante o residual de un sistema de producción en momentos determinados para su posterior uso. Por tanto, estos sistemas, aplicados a centrales solares de generación eléctrica son de vital importancia para hacer coincidir la demanda de energía con la producción, así como para reducir las puntas de consumo. En esta tesis se presentan diversas publicaciones científicas que, por una parte estudian de forma teórica el nivel de desarrollo de las tecnologías y los materiales utilizados en almacenamiento térmico a alta temperatura en centrales solares y aplicaciones industriales. Se ha realizado un Análisis de Ciclo de Vida (LCA) que calcula de forma teórica el impacto medioambiental que implica la construcción, explotación y posterior desmantelamiento de tres tipos de sistemas de almacenamiento basados en distintas tecnologías y utilizando diferentes materiales. En un tercer estudio teórico se analiza la forma de extrapolar a escala industrial los resultados que se obtienen a escala de planta piloto, o incluso laboratorio. En la segunda parte de la tesis se ha desarrollado un estudio experimental donde se ha analizado la idoneidad de diferentes materiales para ser usados como PCM. Además, se ha diseñado y construido una planta piloto de 20 kWt de potencia para realizar los experimentos necesarios con el material finalmente seleccionado. Los resultados experimentales obtenidos sirvieron para evaluar el comportamiento de dicho material y la viabilidad de su utilización en un prototipo a gran escala para una instalación de refrigeración solar real en la Universidad de Sevilla. The application of this type of thermal energy storage systems in electricity generation solar power plants may solve the mismatch between energy demand and supply and reduce consumption peaks is very important. On the other hand, considering solar cooling systems, thermal energy storage may contribute to reduce the installations size, increase the operating time of devices and consequently, increase the global efficiency of the plant. Different papers are presented in this thesis. First, a state of the art was performed including the development level of different high temperature thermal storage technologies and materials for solar power and industrial applications. A Life Cycle Assessment studied the global impact of building, operation and disposal of three thermal storage systems based on different technologies and materials. The way to extrapolate the results obtained at pilot plant or even at laboratory scale to industrial scale is analyzed in a third theoretical study. This analysis wants to be a tool to predict the behaviour of an industrial scale thermal storage energy system by the results obtained by small scale experimentation. In the second part of the thesis an experimental study was carried out, analyzing different materials to be used as PCM. A pilot plant of 20 kWt of power was designed and built to test the storage material finally selected. The experimental results obtained helped to evaluate the PCM behaviour and the viability to use it in a large scale prototype storage tank for a real solar cooling installation in the University of Seville.