Renewable Heat on Demand
High-temperature thermal energy storage: a comprehensive study from material investigation to system analysis via innovative component design
Tid: Fr 2022-04-01 kl 13.00
Plats: M3, Brinellvägen 64A, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68531114425
Språk: Engelska
Ämnesområde: Energiteknik
Respondent: Silvia Trevisan , Kraft- och värmeteknologi
Opponent: Associate Professor Kurt Engelbrecht, DTU Energy Department of Energy Conversion and Storage
Handledare: Professor Björn Laumert, Kraft- och värmeteknologi; Rafael Guédez, Energiteknik; Wujun Wang, Kraft- och värmeteknologi
Abstract
Lagring av termisk energi vid hög temperatur kan möjliggöra en omfattande exploatering av förnybara energikällor, vilket ger den erforderliga energiflexibiliteten för ett klimatneutralt samhälle. Teknik och komponentutveckling behövs för att maximera den termodynamiska prestandan för lagring och för att identifiera viktiga designparametrar. På samma sätt krävs integrationsstudier på systemnivå för att fullt ut förstå den tekno-ekonomiska potentialen vid lagring av termisk energi vid hög temperatur.
Detta forskningsarbete fokuserar på utveckling och provning av en innovativ lagringsteknologi av värmeenergi i packade bäddar och en undersökning av potentialen för denna teknologi. Integrationen och den teknikekonomiska prestandan för en högtempererad termisk bädd har studerats i samband med anläggningar för koncentrerad solkraft. Numeriska studier och experimentella tester har genomförts för att bedöma prestandan av olika partikelytskikt i bäddmaterialet och för att optimera värmeöverföringen i termiska bäddar med hög temperatur. Den omfattande designen av en innovativ prototyp för lagring av högtemperatur-värme med packade bäddar och dess experimentella utvärdering presenteras. Anpassade numeriska modeller har också validerats baserat på experimentella resultat, vilket ger grunden för ytterligare teknikutveckling.
Resultaten av detta forskningsarbete visar att lagring av termisk energi för packade bäddar kan vara en nyckelteknologi i luftdrivna koncentrerade solkraftverk, då dessa levererar en hög kapacitetsfaktor samtidigt som kapitalkostnaderna begränsas. Den i detta arbete utvecklade innovativa radialflödesbädden visade en effektivitet på cirka 72 % vid extremt låga tryckfall. Termokline-kontroll och en noggrann och välfördelad packning har lyfts fram som viktiga aspekter att rikta in vidare utveckling på. Exakta flödesgränsskiktsförhållanden bör också beaktas vid konstruktion av termisk energilagring i packade bäddar. Nya nyckeltal som föreslås i detta arbete, till exempel den nivellerade lagringskostnaden, bör ingå i designprocessen eftersom de visas vara mindre beroende av specifika driftförhållanden. Partikelytskikt med hög emissivitet kan utnyttjas för att förbättra den effektiva värmeledningsförmågan. Medan ytskikt med minskande värmeemissivitet kan utnyttjas som en form av passiv termokline-kontroll.
Slutsatsen av detta arbete är att högtempererade packade bäddar skulle kunna representera en tekniskt och ekonomiskt värdefull energilagringslösning. Optimerade packade bädd-designer och deras systemintegration skulle kunna möjliggöra högre penetration av förnybar energi, såväl som återvinning av en stor mängd spillvärme från den energiintensiva industrisektorn.
Nyckelord
Värmeenergilagring, packad bädd, teknikekonomisk analys, komponentdesign, experimentell utvärdering.