Transient studies of supercritical carbon dioxide for thermal energy storage applications

Abstract

Esta tese aborda o estudo do dióxido de carbono supercrítico (s-CO2) em sistemas de armazenamento térmico, compreendendo três estudos principais intercomplementares: os dois primeiros avaliando o comportamento transiente do s-CO2 como meio de armazenamento térmico durante a carga do sistema de armazenamento, e o último estudando-o como fluido de transferência de calor em um packed bed utilizado para armazenamento térmico. No primeiro estudo foi desenvolvido um modelo numérico transiente bidimensional com simetria axisimétrica de um tanque cilíndrico vertical contendo s-CO2 em seu interior, similar ao desenvolvido por outros trabalhos na literatura. O fluido é aquecido por convecção natural turbulenta devido a uma condição de temperatura prescrita na parede superior à temperatura inicial do s-CO2. Diferentemente de outros trabalhos já publicados, doze condições iniciais de operação são testadas, próximas à temperatura e pressão criticas: três temperaturas e quatro níveis de pressão para cada uma, introduzindo o conceito de pressão reduzida modificada, em que a pressão é adimensionalizada em termos da pressão que apresenta máximo calor específico para determinada temperatura, ao invés de ser adimensionalizada em termos da pressão crítica. Neste estudo, também é introduzido um parâmetro Ç, razão entre a densidade de energia armazenada no sistema de armazenamento com o tempo de carga do sistema. Com este parâmetro foi possível avaliar como as condições de operação iniciais para a carga do sistema de armazenamento térmico influenciam no desempenho transiente do mesmo. Dando sequência a este trabalho, o segundo estudo desta tese propõe uma correlação multi-variável para calcular a temperatura média do s-CO2 ao longo do tempo de carga do sistema, corrigindo uma correlação proposta por outros para funcionar com diversas condições de operação. Deste modo, é possível mapear as condições ótimas que maximizem a relação entre a densidade de energia térmica armazenada e o tempo de carga do sistema. Considera-se a viabilidade de empregar tal correlação para outros fluidos, permitindo expandir esta análise para múltiplos fluidos, permitindo escolher fluidos com condições de operação ótimas mais próximas da temperatura e pressão desejáveis para a aplicação na qual o sistema de armazenamento térmico será utilizado. Por fim, o terceiro e último estudo desta tese muda o viés abordado até então, considerando o s-CO2 como fluido de transferência de calor em um packed bed, em que o meio de armazenamento são esferas de alumina, seguindo o que foi proposto por outros estudos já publicados sobre o tema. Nesta etapa do trabalho, desenvolveu-se um modelo numérico bidimensional com axissimetria de um tanque vertical contendo um meio poroso em seu interior. A parede do tanque foi analisada para três diferentes inclinações, 0?, considerando um tanque cilíndrico, 5? e 10? para um tronco de cone. O sistema de armazenamento é projetado para uma descarga de 8 h, podendo ocorrer em tanque único, em dois, quatro ou oito tanques paralelos, com o meio de armazenamento e vazão mássica de fluido de transferência de calor igualmente dividido entre eles. Imagina-se este tanque de armazenamento no contexto de uma usina solar com um ciclo Brayton com s-CO2 como fluido de trabalho, considerando-se a entrada e saída do s-CO2 do sistema de armazenamento durante a carga e a descarga como a entrada e saída da turbina, a uma pressão de operação de 25, 1MPa e vazão mássica de 133 kg/s para uma usina de 10MW. Devido a esta alta pressão, alguns trabalhos na literatura comentaram sobre os custos associados à construção deste sistema de armazenamento, com paredes de aço espessas e tendo a maior parcela de investimento relacionada à parede do tanque. Graças a estas dificuldades construtivas e econômicas, este último trabalho faz uma análise do desempenho térmico e econômico deste sistema de armazenamento com dois materiais de parede: apenas aço ou concreto armado. A superioridade do concreto armado fica evidente em todos os parâmetros armazenados, sendo este um possível caminho para viabilizar a construção deste packed bed usando dióxido de carbono supercrítico como fluido de transferência de calor.

Abstract: This doctoral thesis addresses the study of supercritical carbon dioxide (s-CO2) in Thermal Energy Storage (TES) systems, comprising three primary and complementary studies: the first two evaluating the transient behavior of s-CO2 as TES medium during the charging phase of the TES system, and the last studying it as a Heat Transfer Fluid (HTF) in a packed bed used for TES. The first study developed a bidimensional transient numerical model with axisymmetry of a vertical cylindrical tank containing s-CO2, similar to other works already publiched in the literature. The fluid is heated because of free turbulent convection due to a condition of prescribed temperature in the tank?s wall that is superior to the fluid?s initial temperature. Differently from the works found so far in the literature, in this work, twelve initial operating conditions are evaluated, close to the critical temperature and pressure: three temperature levels and four pressures for each temperature, introducing the concept of modified reduced pressure, where the operating pressure is dimensionless in terms of the pressure that maximizes the specific heat for a given temperature, instead of the critical pressure. Another concept is introduced in this study, a parameter Ç, which is the quotient between the density of thermal energy stored and the charging time. This parameter makes it possible to evaluate how the initial operating conditions influence the system?s transient behavior. Following this work, the second study of this thesis proposes a multi-variable correlation to calculate the fluid?s average temperature over the charging time of the TES system, correcting the correlation proposed by other works in the literature so it works with different initial operating conditions. It makes it possible to map the optimal initial operating conditions to maximize the relation between the stored thermal energy and the system?s charging time. Using this correlation for other supercritical fluids in transcritical conditions is still under consideration, which would allow the expansion of this analysis to multiple fluids, making it possible to choose fluids with optimal operating conditions closer to the temperature and pressure required for the thermal process at which the TES system is used. At last, the third and last study of this thesis changes the bias followed until then, considering s-CO2 as an HTF in a packed bed, where the storage medium is alumina bed with spheres of alumina, following other simmilar works in the literature. This work develops a numerical bidimensional model with axisymmetry in the central axis of a vertical tank containing the porous media. The tank?s wall was analyzed for three inclinations, 0? considering a cylindrical tank, and 5? and 10? for a truncated cone. The TES system is designed for an 8 h discharge, which can be with a single tank, two, four, or eight parallel tanks, with storage media and mass flow rates equally divided into all tanks. The concept of this storage system is in the context of a concentrated solar power plant with a Brayton cycle using s-CO2 as working fluid, considering the inlet and outlet of the TES system, the outlet and inlet of the cycle?s turbine, at an operating pressure of 25.1MPa and massic flow rate 133 kg/s to a thermal power plant of 10MW. Due to this high operating pressure, other authors in the literature commented on the elevated costs associated with constructing this TES system, with tick steel walls where most of the investment costs were associated with the tank?s walls. Given these economic and constructive difficulties, this last work developed a thermal and economic analysis of this storage system considering two wall materials: steel-only and reinforced concrete walls. The superiority of the reinforced concrete is evident in all parameters analyzed, which is a possible way to make it viable to construct this packed bed using supercritical carbon dioxide as HTF.