Luisa F. Cabeza a Coenercat, sessió de Lleida (26.11.2013)

Emmagatzematge tèrmic de l’energia solar

Congrés d’Energia de Catalunya

26 Novembre 2013

Dra. Luisa F. Cabeza

2Emmagatzematge tèrmic d’energia solar – Luisa F. Cabeza, 2013

Índex

• Introducció a l’energia solar• Introducció a l’emmagatzematge d’energia tèrmica• Aplicació com a sistema passiu• Aplicació per a la producció d’aigua calenta sanitària• Aplicació en refrigeració solar• Aplicació en centrals termosolars• Conclusions


Introducció a l’energia solar

• L’energia solar és virtualment no esgotable, i està disponible per poder ser utilitzada en tots els països i regions del món

SRREN 2012



• Tecnologies– Energia solar passiva

• Absorbeix l’energia solar, l’emmagatzema i la distribueix de forma natural, sense elements mecànics

• Les tecnologies d’energia solar passiva no es poden separar de l’edifici com a tal



• Tecnologies– Energia solar tèrmica

• Aprofitament de l’energia del Sol per:– Cuinar aliments– Produir aigua calenta sanitària– Climatitzar

» Calefacció» Refrigeració solar



• Tecnologies– Energia solar tèrmica

• També es pot utilitzar per produir electricitat en les centrals termosolars



• Tecnologies– Energia solar fotovoltaica

• Produeix electricitat utilitzant semiconductors• No utilitza l’emmagatzematge tèrmica


L’emmagatzematge d’energia tèrmica

• Permet emmagatzemar calor o fred per utilitzar-lo més tard• Beneficis:

– Incrementar la capacitat de generació– Millora l’operació de plantes com les de cogeneració– Permet canviar la compra d’energia a períodes de menor cost– Augmenta la fiabilitat del sistema


L’emmagatzematge d’energia tèrmica

• Tipus– Sensible

• Sòlids• Líquids

– Latent• Materials de canvi de fase (PCM)• Sòlid líquid

– Termoquímic• Absorció• Adsorció• Reacció química

TcmQ ∆⋅⋅=∆

hmQ ∆⋅=∆

liquid

gas

(1) Absorption/Condensation

gas→liquid41 kJ/mol

liquid

gas

(2) Adsorptiongas→

adsorbed material50-60 kJ/mol

Reacted solid

gas

(3) Chemical reactiongas→

adsorbed material→reacted material80-120 kJ/mol

liquid

<200°CNo volume change of adsorbentCapacity dependency on surface area

Adsorbent surface

Reactant surface

>200°C is possibleWith volume change of reactantNo capacity dependency on surface area

<100°C

Absorbent

Absorbed liquid


Aplicació com a sistema passiu

• Instal·lació a Puigverd de Lleida



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Diferents cubicles construïts amb el sistema mediterrani– Dimensions internes 2.4x2.4x2.4 metres– Clima amb importants oscil·lacions de temperatura dia/nit

– Incorpora PCM per refrigeració



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Diferents sistemes constructius:

• Formigó

• Totxo convencional

• Termoargila

Sense aïllamentDiferents materials aïllantsAïllament amb PCM macroencapsulat

Sense aïllamentw/wo PCM microencapsulat

Sense aïllamentw/wo PCM macroencapsulat

2.4 m

2.4 m2.4 m




– PCM MICRONAL®PCM (BASF) • Temperatura de fusió: 26ºC • Entalpia de canvi de fase: 110 kJ/kg• Cada panell incorpora un 5% en pes de PCM

– Sense aïllament

2.4 m

2.4 m2.4 m



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Cubicles totxo

• Cubicle referència (Reference): Sense aïllament• Cubicle amb poliuretà (PU): 5 cm d’aïllament de poliuretà

polvoritzat• Cubicle amb PCM (RT27+PU): 5 cm d’aïllament de poliuretà

polvoritzat i una capa addicional de PCM– Panells CSM amb parafina RT-27 col·locats entre els totxos i l’aïllament



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Cubicles de termoargila

• Cubicle referència (Alveolar): Sense aïllament• Cubicle PCM (SP25+Alveolar): Sense aïllament amb una capa

addicional de PCM– Panells CSM amb sal hidratada SP-25 A8 col·locats dins el cubicle, entre la

termoargila i el revestiment




– Sensor de flux de calor

– Sensors de temperatura (PT 100)

– Piranòmetre

– Estació meteorològica

– Temperatura i humitat interior

– Consum elèctric



10

14

18

22

26

30

34

38

42

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Hours

Tem

pera

rtur

e (º

C)

WEST T.OUT

10

14

18

22

26

30

34

38

42

0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Hours

Tem

pera

rtur

e (º

C)

WEST WESTPCM T.OUT

Phasechange

Phasechange

Without PCM

With PCM

2ºC

3ºC

26ºC

• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Formigó amb PCM microencapsulat

• Temperatura exterior i temperatura d ela paret oest, juliol 2005



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Totxo convencional i termoargila amb PCM macroencapsulat– Experiments de “temperatura lliure”– Climatologia ideal per a la operació del PCM

Període d’estiu – 04/08/08 to 07/08/08Totxo convencional

TermoargilaPeríode d’estiu – 02/08/08 to 04/08/08

2626.5

2727.5

2828.5

2929.5

3030.5

3131.5

3232.5

33

04/08/0812:00

05/08/080:00

05/08/0812:00

06/08/080:00

06/08/0812:00

07/08/080:00

07/08/0812:00

Date

Tem

pera

ture

(ºC

)

Inside Reference Inside PU Inside RT27+PU RT-27

Phase Change Range

2.9ºC

1ºC

26

26.5

27

27.5

28

28.5

29

29.5

30

30.5

31

02/08/0812:00

02/08/0818:00

03/08/080:00

03/08/086:00

03/08/0812:00

03/08/0818:00

04/08/080:00

04/08/086:00

04/08/0812:00

Date

Tem

pera

ture

(ºC

)

Inside Alveolar Inside SP25+Alveolar SP-25 A8

Phase Change Range

1.1ºC

0.9ºC


• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Totxo convencional i termoargila amb PCM macroencapsulat– Experiments de “temperatura controlada”: set-point 24 ºC– Climatologia ideal per a la operació del PCM


Període d’estiu –Juny-agost 2008



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Totxo convencional i termoargila amb PCM macroencapsulat– Experiments de “temperatura controlada”: set-point 24 ºC

Energy Consumption1 (Wh)

Energy Savings2 (Wh)

Energy Savings2 (%)

Improvement3 (%)

Reference 9376 0 0 -

PU 4583 4793 51.12 0

RT27+PU 3907 5469 58.33 14.75

Alveolar 5053 4323 46.11 0

SP25+Alveolar 4188 5188 55.33 17.12

1Set point of 24 ºC during 5 days2Referred to the Reference cubicle3Referred to the cubicle with analogue constructive solution and without PCM



• Conclusions– Temperatura lliure

• Reducció dels pics màxim i mínim durant el període càlid• Reducció de la oscil·lació de la temperatura (fins a 1-3 ºC)• Retràs en l’entrada del flux de calor a través de la paret (3-8

hores)

– Temperatura controlada• Efecte molt important del set-point• Amb set-points moderats (24 ºC) � Estalvis d’energia importants

(al voltant del 15%)


• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Façana ventilada amb PCM– Cublicle referència i cubicle amb façana ventilada

Aplicació com a sistema passiu/actiu


• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Façana ventilada amb PCM– Reixetes programables i ventiladors



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Façana ventilada amb PCM– Experiments de “temperatura lliure”



• Instal·lació a Puigverd de Lleida– Façana ventilada amb PCM– Experiments de “temperatura controlada”: set-point 21 ºC


20% of net energy savings


Aplicació per a la producció d’ACS

• Utilització de PCM per millorar l’emmagatzematge d’energia tèrmica en sistemes d’ACS solars– Millorar la densitat energètica del sistema– Millorar l’eficiència del sistema– Millorar la fiabilitat del sistema



• PCM dipòsits d’aigua estratificats


• PCM en dipòsits d’aigua estratificats– Compost granular amb un 90 vol.% d’acetat sòdic trihidratat i un 10

vol.% de grafit

– Encapsulat en botelles d’alumini comercials de 8.8 cm de diàmetre i 31.5 cm d’alçada (1.5 L)




• PCM en dipòsits d’aigua estratificats– Instal·lació disponible a la EPS de la UdL



• PCM en dipòsits d’aigua estratificats– Instal·lació disponible a la EPS de la UdL

• Temperatura a diferents alçades del dipòsit

• Temperatura ambient• Temperatura de l’entrada

i sortida d’aigua• Temperatura dins dels

mòduls de PCM• Cabal d’aigua del sistema



• PCM en dipòsits d’aigua estratificats– Experiments amb diferent número de mòduls de PCM– Refredament– Rescalfament– Operació solar

– IPF: volum PCM / volum tanc

Nº modules

PCM mass (kg)

IPF (%)

Energy density increase (%) (ΔT = 1 K)

Energy density increase (%) (ΔT = 8 K)

2 2.1 2.05 40 6

4 4.2 4.1 57.2 12

6 6.3 6.16 66.7 16.4



• PCM en dipòsits d’aigua estratificats – Refredament amb 2 mòduls de PCM

5051525354555657585960

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)T-30T-90T-110T-120 (top)PCM1PCM2

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)

T-30

T-90

T-110

T-120 (top)

PCM1

PCM2

PCM effect

Top water layer keep the temperature around 54-55 ºC between 7-9 hours



• PCM en dipòsits d’aigua estratificats – Reescalfament amb 6 mòduls de PCM

26

28

30

32

34

36

38

40

17:45 18:00 18:14 18:28 18:43Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)

T-0 (bottom)T-30T-90T-110T-120 (top)PCM 1PCM 2

15

25

35

45

55

65

75

17:45 17:52 18:00 18:07 18:14 18:21 18:28 18:36 18:43

Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)

T-0 (bottom)

T-30

T-90

T-110

T-120 (top)

PCM 1

PCM 2

Extra time with hot water at 36-38 ºC ≈ 50 min

Theoretical compensation temperature about 10 ºC (from 27 ºC to 37 ºC)

Zoom in



• PCM en dipòsits d’aigua estratificats – Operació solar amb 4 mòduls de PCM

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)

0100200300400500600700800900

Rad

iatio

n (W

/m^2

)

Inlet 1 Outlet 1 Inlet 2Outlet 2 Solarimeter

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00Time (h:min)

Tem

pera

ture

(ºC

)

T-0 (bottom) T-30 T-90T-110 T-120 (top) PCM 1PCM 2

PCM effectTank draw-off

Charging in sunny hours and partial draws-off

Reheating capability as well as keeping nearly constant the water temperature next to the PCM modules



• Conclusions– Experiments de refredament amb 2 i 6 mòduls de PCM:

• La capa més alta d’aigua en contacte amb els mòduls de PCM manté la temperatura més alta entre 7 I 9 hores més

– Experiments de reescalfament amb 2 i 6 mòduls de PCM:• La quantitat de temps que l’aigua es manté a temperatures útils

depèn de la quantitat de PCM• El reescalfament pot arribar a ser de 10 ºC

– Experiments amb col·lectors solars amb 4 i 6 mòduls• No es veuen diferències suficients


• Instal·lació de refrigeració situada a la Universitat de Sevilla

Col·lectors solars tipus Fresnel

Bomba de calor d’absorció

185 ºC

140 ºC

Aplicació en refrigeració solar


• Instal·lació de refrigeració situada a la Universitat de Sevilla– Connexió d’un dipòsit d’energia tèrmica

185 ºC

140 ºC

Dipòsit d’emmagatzematge


Col·lectors solars tipus Fresnel

Bomba de calor d’absorció



• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL



• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Estudi dels dipòsits d’emmagatzematge


Material Experimental phase change temperature

[ºC]

Experimental phase change enthalpy

[kJ/kg]

Salicylic acid 159.1 (m) / 111.3 (s) 161.5 (m) / 109.4 (s)

Benzanilide 163.6 (m) / 136.1 (s) 138.9 (m) / 129.4 (s)

D-mannitol 166.8 (m) / 117.0 (s) 260.8 (m) / 214.4 (s)

Hydroquinone 172.5 (m) / 159.5 (s) 235.2 (m) / 178.7 (s)

Potassium thyocynate 176.6 (m) / 156.9 (s) 114.4 (m) / 112.5 (s)


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge


Experiment

hydroquinone tank

Experiment

d-mannitol tank

HTF Temp. gradient [ºC]

HTF flow rate [m3/h]

E1 E7145 – 187

1.4

E2 E8 2.2

E3 E9 3.0

E4 E10130 – 200

1.4

E5 E11 2.2

E6 E12 3.0


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge– Experimentació a la planta pilot


-20

-16

-12

-8

-4

0

4

8

12

16

20

24

28

0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00Time [h:min:s]

Ene

rgy

[kW

h]

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

Tem

pera

ture

[ºC

]

E PCM E HTF T PCM 2 T PCM 5 T PCM 8

T PCM 11 T PCM 14 T HTF in T HTF out

Charging ends

Discharging starts

E PCM ch

Discharging ends

E PCM dsch


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge– Resultats


0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

E1 E2 E3 E4 E5 E6Experiment

Tan

k en

ergy

sto

red

[kW

h]

E HTF charg E HTF disch


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge– Resultats: hidroquinona


0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

E7 E8 E9 E10 E11 E12Experiment

Tan

k en

ergy

sto

red

[kW

h]

E HTF charg E HTF disch


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge– Resultats: d-mannitol



• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Selecció del material d’emmagatzematge– Conclusions

• En l’anàlisi en laboratori els materials estudiants presentaven problemes a priori (per exemple, subrefredament)

• En l’anàlisi en planta pilot demostra que nos tots aquests problemes es traslladen en el mateix escalat

• Per una altra banda, l’experimentació en planta pilot va mostrar altres reptes dels materials, en aquest cas la influència del polimorfisme del d-mannitol


Experiment tank without fins

Experiment tank with fins

HTF Temp. gradient [ºC]

HTF flow rate [m3/h]

E1 E6

145 – 187

0.5

E2 E7 1.2

E3 E8 2.0

E4 E9 2.5

E5 E10 3.0


• Planta pilot disponible a la EPS de la UdL– Millora de la transferència de calor per l’ús d’aletes en el

bescanviador de calor– Experimentació a la planta pilot



bescanviador de calor– Resultats

( )( )PCMin HTF

out HTFin HTF

theoric

experiment

TTTT

Q

Q

−−==ε



)}/(0199.0exp{1 mA &⋅−−=ε

[*] Tay, N.H.S. Belusko, M. Bruno, F. 2012

*



bescanviador de calor– Resultats


)/( mA &



bescanviador de calor– Conclusions

• L’eficiència mitja més alta correspon als valors del rati més baixos

• Les aletes fan que la correlació proposada per Tay et al. no sigui adequada

• Les aletes milloren considerablement la transferència de calor dins del PCM


Value

Dimensions [mm] 7400 x 900

Number of tubes [-] 330

Length of tubes [m] 6000 Internal diameter of tubes [mm] 13.2

Mass of PCM [kg] 4600


• Prototipus instal·lat a la Universitat de Sevilla


Aplicació en centrals termosolars

• Conceptes d’emmagatzematge

STORAGE CONCEPT

Active

Direct Indirect

Passive



• Exemples– Sistema actiu directe

Avantatges Desavantatges

• El material fred i calent estan separats• Elecció de baix risc• Possibilitat d’augmentar la temperatura del camp solar fins a 450/500 ºC • Reducció de la mida del TES

• Alt cost del materials, els bescanviadors de calor i els dipòsits• Molt alt risc de solidificacions• Altes pèrdues de calor• Més baixos costos del TES no es correspon amb menors costos de l’electricitat produïda

Plant: Planta Solar TRES

Location: P.S. Almeria (Spain)

Year: 2002 to 2007

Storage: 588 MWhth (16 h)

TES media: NaNO3 + KNO3



• Exemples– Sistema actiu indirecte

Avantatges Disadvantages

• El material fred i calent estan separats• Elecció de baix risc• Reducció de la mida del TES• Menor risc de solidificació

• Alt cost del materials, els bescanviadors de calor i els dipòsits• Risc mig de solidificació• Es necessita un bescanviador de calor • Diferència de temperatura entre el dipòsit calent I fred petita

Plant: Andasol I

Location: Guadix, Cadiz (Spain)

Year: 2008

Storage: 1010 MWhth (6-12 h)

TES media: NaNO3 + KNO3



• Exemples– Sistema passiu

Avantatges Desadvantages

• Materials d’emmagatzematge barat• Alta transferència de calor• Facilitat de maneig• Baixa degradació

• Augment del cost del bescanviador• Inestabilitat a llarg terme

Plant: LS3

Location: P.S. Almeria (Spain)

Year: 2004

Storage: 0.48 MWhth

TES media: Concrete/ceramics


Conclusions

• L’emmagatzematge d’energia tèrmica és un factor clau pel desenvolupament i implantació de l’energia solar

• Hi ha moltes aplicacions de l’emmagatzematge d’energia tèrmica que poden encara millorar-se

• Algunes aplicacions ja són madures pel mercat, però altres encara necessiten recerca i desenvolupament


Agraïments

• Projectes finançats:– DPI2002-04082-C02-02– ENE2005-08256-C02-01/ALT– ENE2008-06687-C02-01– ENE2011-22722– 2005-SGR-00324– 2009 SGR 534– FP6 MOPCON– FP7 EFFIBUILDINGS– FP7 HESTOR– FP7 MERITS– FP7 INNOSTORAGE

• Empreses col·laboradores:– Synthesia Internacional SLU– Honeywell Fluorine Products

Europe B.V– TEINSA– Gas Natural– Abengoa Solar NT– Consorcio termoarcilla– Ediltec– Ajuntament de Puigverd de

Lleida

• Tots els membres del GREA


GRÀCIES PER LA SEVA ATENCIÓ

GREA Innovació ConcurrentUniversitat de Lleida

C/ Pere de Cabrera s/n 25001Lleida (Spain)

www.grea.udl.cat

[email protected]

Technology

Luisa F. Cabeza a Coenercat, sessió de Lleida (26.11.2013)