REPUBBLICA ITALIANA

Cagliari, 20 novembre 2015

Laboratori del DIMCM per lo studio e la sperimentazione di sistemi di

accumulo dell’energia termica

Prof. Ing. Giorgio Cau

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali

Università di Cagliari

Sistemi a calore sensibile (“Sistemi a termoclino”)

Sistemi a calore latente (Sistemi a “PCM”, Phase Change Materials)

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Calore sensibile – “Sistemi a termoclino”

Sistemi di accumulo a termoclino in letti di materiale solido impaccato con

fluidi termovettori (HTF) gassosi

Studi sperimentali e numerici sulla formazione del termoclino e sulle

prestazioni dei sistemi di accumulo termico

Valutazione delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi di

carica/scarica

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Impianto a circuito aperto con aria come HTF

Altezza e diametro del letto di materiale solido: 1.8 – 0.58 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 7-9 mm

Capacità di accumulo: fino a 72 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 70 kW

Temperatura massima dell’HTF: 300 °C

Pressione atmosferica

Inverter

PID̴

400 V

Q

ScrewCompressor255 – 940 m3/h

CompressorControl Panel

HeaterControl Panel Electric Heater

70 kW, 25 - 300°C

Insulatedsteel tank

TQ PQ

Thermocouples

NI cDAQ

TD

TC

V1

V3

V2

Vent

Vent

PB

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Sferette di allumina sinterizzata

Diametro:7-9 mm

Diametro interno del serbatoio: 0.58 m

Altezza del letto: fino a 1.8 m

“Rack” termocoppie

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Sono stati svolti studi sperimentali per indagare sull’influenza delle caratteristiche operative e

costruttive (portata massica di HTF, temperatura dell’HTF, “aspect ratio” del letto, ecc.) sulla

formazione del termoclino e sul comportamento del TES nel caso di cicli ripetuti di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

x/L

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

r/R

1/3 tch

2/3 tch

3/3 tch

3/3 tdisch

minmax

min

TT

TT

External

Wall

r/Rx/L

θθ

Charge

Discharge

BottomTop

Dimensionless temperature

Indicative of

the Useful

Energy

T=Tmin θ = 0

T=Tmax θ = 1

1/3

2/3 3/3

3/3

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Gli studi sperimentali hanno evidenziato l’influenza della parete esterna del serbatoio sulla

distribuzione radiale di temperatura che incide sulla quantità di energia che può essere accumulata.

Questo aspetto è stato analizzato mediante modelli CFD 2-D and 3-D per una migliore previsione

del campo di temperatura del sistema e della sua evoluzione durante le fasi di carica/scarica.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fig. 4 Contour plots of tank temperature at interval of 1/5 of the overall time of charge

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF

Altezza e diametro del letto: 0.9 – 0.30 m

Materiale solido: sferette di allumina, diametro 1.5-2.5 mm

Capacità di accumulo: fino a 5 kWh

Potenza termica (in carica): fino a 6 kW

Temperatura massima dell’HTF: 150 °C

Pressione massima dell’HTF: 5 bar

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Diametro sferette:

1.5-2.5 mm 7-9 mm Compressore CO2

Diametro interno serbatoio: 0.30 m

Altezza del letto: fino a 0.90 m

Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF

IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI

A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

Calore Latente – Sistemi con materiali a cambiamento di fase (PCM)

Scelta dei materiali (campo di temperatura di interesse, caratteristiche di fusione e solidificazione,

cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, etc.)

Sviluppo di sistemi di accumulo, attrezzature e dispositivi (analisi numerica, indagini sperimentali,

modelli di simulazione)

Valutazione del decadimento delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica

Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi in funzione del tipo di PCM e

dell’applicazione

Ottimizzazione delle prestazioni mediante tecniche di miglioramento dello scambio termico

Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 6 kWh

Temperatura di carica dell’HTF: 200 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM: Hydrochinone

Massa di PCM: 104 kg

Superficie di scambio termico: 2.49 m2

Lunghezza: 2.44 m

Diametro: 0.254 m

Numero di tubi: 17

Processo di carica Processo di scarica

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”

Capacità di accumulo: ≈ 3 kWh

Temperatura di carica dell’HTF : 180 °C

Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C

PCM : Mannitol

Massa di PCM:

Caso 1: 23.4 kg

Caso 2: 23.4 kg

Caso 3: 22.8 kg

Superficie di scambio termico :

Caso 1: 0.077 m2

Caso 2: 0.568 m2

Caso 3: 0.730 m2

Case 1 Case 2 Case 3

Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Caso 1 – Doppio tubo

Caso 2 – Scambiatore “triplex”

Caso 3 – “triplex” con alette circolari

Charge process Discharge process

Profili di temperatura

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Case 3Case 2Case 1

Evoluzione delle fasi – Processo di scarica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Evoluzione delle fasi – Processo di carica

Zona rossa: PCM solido

Zona blu: PCM liquido

Case 1 Case 2 Case 3

RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

Potenza elettrica in carica (EH): fino a 40 kW

Potenza termica in scarica (CHE): 170 kW

Capacità di accumulo dei PCM-TES: fino a 300 kWh

Temperatura massima dell’HTF: fino a 350 °C

IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO

TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

Prototipo di accumulatore a PCM del tipo a “tubi e mantello”

Temperatura di fusione: 167 °C

Capacità di accumulo: 5.7 kWh

IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO

TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

Modellazione, progetto, simulazione, previsione delle prestazioni e

ottimizzazione di:

Collettori solari e campi solari a concentrazione

Impianti motori a vapore per applicazioni CSP

Impianti motori a fluido organico (ORC) per applicazioni CSP

Integrazione di impianti CSP e impianti a combustibili fossili (incluse le CCS)

Accumulo dell’energia termica

Supporto tecnico-scientifico al progetto degli impianti CSP sperimentali nelle aree

industriali di Ottana, Villacidro e Tortolì (campo solare, motore termico e sistema

di accumulo termico)

Supporto tecnico-scientifico alla sperimentazione e alla gestione dell’impianto CSP

di Ottana

ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)

Impianto sperimentale di Ottana

Superficie di raccolta: 8.400 m2

Potenza termica del campo solare: 4.690 kWt

Accumulo termico: 14.7 MWh (2 serbatoi C/F)

Potenza del motore ORC: 600 kWe

Potenza del CPV: 400 kWe

Accumulo elettrico: batterie SoNick, 430 kWh

ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)