Thermodynamic Analysis of a High Temperature Heat Pump coupled with an Organic Rankine Cycle for Energy Storage

Abstract

[ES] La transición energética hacia las energías renovables requiere de nuevas soluciones para el almacenamiento de energía, ya que las tecnologías de almacenamiento existentes están asociadas con desventajas como el tiempo de descarga, el coste, el uso del terreno etc. Este trabajo está enmarcado dentro del proyecto Europeo CHESTER (Compressed Heat Energy STorage for Energy from Renewable sources). Cuando hay exceso de energía eléctrica en la red, el sistema de almacenamiento térmico utiliza una bomba de calor (HP) para aumentar la temperatura del calor residual y almacenarlo. El sistema de almacenamiento es un sistema latente (LHS) mediante materiales de cambio de fase (PCM) y un sistema de almacenamiento sensible (SHS) mediante dos tanques de agua. Cuando la red demanda energía eléctrica, el sistema de almacenamiento a alta temperatura se utiliza acoplado a un ciclo orgánico de Rankine (ORC) para producir electricidad. Para evaluar la eficiencia del sistema se ha desarrollado un modelo termodinámico, con el que se han analizado: tres temperaturas de cambio de fase del PCM (133, 149 y 183 °C), la configuración de la bomba de calor y del sistema ORC y varias características de los fluidos refrigerantes, especialmente la pendiente de la curva de vapor saturado del refrigerante. Los resultados indican que los fluidos isoentrópicos tienen el mejor comportamietno, siendo el R1233zd(E) considerado como el mejor fluido de trabajo para bajas y medias temperaturas de fusión. Para una temperatura de fusión de 133 °C y una temperatura de la fuente de calor de 75 °C, una eficiencia igual a 1 del ciclo completo puede ser alcanzada. Para alta temperatura el fluido con mejor comportamiento es el R141b. Fluidos secos como el HFO1336mzz(Z) y el ciclopentano presentan el peor comportamiento de los fluidos seleccionados. No se considera beneficioso para el sistema un ciclo con dos etapas de compresión ni tampoco un ciclo ORC con procesos de recuperación o regeneración.

[CA] La transició energètica cap a les energies renovables requerix de noves solucions per a l'emmagatzemament d'energia, ja que les tecnologies d'emmagatzemament existents estan associades amb desavantatges com el temps de descàrrega, el cost, l'ús del terreny etc. Este treball està emmarcat dins del projecte Europeu CHESTER (Compressed Heat Energy STorage for Energy from Renewable sources). Quan hi ha excés d'energia elèctrica en la xarxa, el sistema d'emmagatzemament tèrmic utilitza una bomba de calor (HP) per a augmentar la temperatura de la calor residual i emmagatzemar’l-ho. El sistema d'emmagatzemament és un sistema latent (LHS) per mitjà de materials de canvi de fase (PCM) i un sistema d'emmagatzemament sensible (SHS) per mitjà de dos tancs d'aigua. Quan la xarxa demanda energia elèctrica, el sistema d'emmagatzemament a alta temperatura s'utilitza acoplat a un cicle orgànic de Rankine (ORC) per a produir electricitat. Per a avaluar l'eficiència del sistema s'ha desenvolupat un model termodinàmic, amb el que s'han analitzat: tres temperatures de canvi de fase del PCM (133, 149 i 183 °C) , la configuració de la bomba de calor i del sistema ORC i diverses característiques dels fluids refrigerants, especialment el pendent de la corba de vapor saturat del refrigerant. Els resultats indiquen que els fluids isoentròpics tenen el millor comportament, sent el R1233zd (E) considerat com el millor fluid de treball per a baixes i mitges temperatures de fusió. Per a una temperatura de fusió de 133 °C i una temperatura de la font de calor de 75 °C, una eficiència igual a 1 del cicle complet pot ser aconseguida. Per a alta temperatura el fluid amb millor comportament és el R141b. Fluids secs com el HFO1336mzz (Z) i el ciclopentano presenten el pitjor comportament dels fluids seleccionats. No es considera beneficial per al sistema un cicle amb dos etapes de compressió ni tampoc un cicle

[EN] The transition towards an increasing share of renewable energy in the electricity production requires new solutions of energy storage. Existing energy storage technologies can provide good solutions but are also associated with various constraints such as land use, discharge time, cost etc. This thesis has been carried out under the frame of the European project CHESTER (Compressed Heat Energy STorage for Energy from Renewable sources). During times of excess electricity production, a heat energy storage system uses a heat pump (HP) to pump low-grade thermal energy to a higher temperature reservoir where the heat is stored. The reservoir consists of a latent heat storage (LHS) unit with a phase changing material (PCM) and a Sensible heat storage (SHS) unit with two water tanks. At times of insufficient electricity production, the stored energy is used to operate an organic Rankine cycle (ORC) to produce electricity. A thermodynamic model has been developed to evaluate the system performance. Three different melting temperatures of the PCM (133, 149 and 183 °C) are evaluated as well as some characteristics of the working fluid, especially the slope of the saturated vapor curve (dry, isentropic or wet fluid). The system configuration of the HP and the ORC are also analyzed. The results indicated that isentropic fluids have the best overall system performance. R1233zd(E) is considered to be the best working fluid for the low and medium melting temperatures. For a melting temperature of 133 °C, a roundtrip efficiency of 1 can be reached if the source temperature is 75 °C. For the high temperature storage, R141b is the best working fluid. Dry fluids such as HFO1336mzz(Z) and Cyclopentane have the lowest performance of the selected working fluids. A two-stage compression in the HP is not considered to be beneficial for the system, neither is an ORC cycle with recuperation or regeneration processes