Analytic and parametric study of high-temperature packed-bed TES systems using copper slags as filler material

Abstract

El desafío de la tercera generación de plantas de concentración solar de potencia (CSP) es aumentar la temperatura de funcionamiento. En búsqueda de alternativas tecnológicas para lograrlo, los sistemas de almacenamiento térmico (TES) de lecho de rocas se han planteado como propuesta prometedora, pues emplean rocas naturales o subproductos industriales de bajo costo, para almacenar energía mediante el intercambio térmico con un fluido de trabajo. El uso de un material sólido como medio de almacenamiento admite la operación a altas temperaturas y mejorar la eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica. La presente tesis busca evaluar el desempeño a altas temperaturas de un sistema TES de lecho de rocas usando escoria de cobre chilena como material de relleno. Para ello, se estudian las estrategias de modelación de estos sistemas y sus variables clave de diseño. Con una previa caracterización de las propiedades termofísicas de la escoria de cobre y el desarrollo de un modelo de transferencia de calor, se evalúa su comportamiento en un TES de lecho de rocas y se contrasta con otros materiales de desecho estudiados en la literatura. A través de un análisis paramétrico de las dimensiones geométricas y la forma del estanque, se estudia cómo varía su desempeño, para proponer estrategias de diseño de estos sistemas y extender su aplicación en otras tecnologías de energías renovables, como baterías de Carnot o sistemas de almacenamiento de aire comprimido (CAES). Con un análisis de primera y segunda ley de la termodinámica, se estudia la evolución de la termoclina del TES, eficiencia de round-trip, pérdidas de calor, eficiencia exergética, caída de presión e irreversibilidades durante el intercambio de calor entre las fases. El modelo desarrollado es generalizado para distintas geometrías de almacenamiento térmico, como estanques cilíndricos con flujo axial de fluido, estanques de cono truncado con flujo axial, y una nueva propuesta geométrica que consiste en disponer el material de relleno entre dos cilindros concéntricos y realizar inyección de fluido en la dirección radial. Los resultados muestran que el alto calor específico de 1.4 - 1.5 J/(g K) de la escoria de cobre permite un avance más lento de la termoclina a través del lecho de rocas, descargando mayores temperaturas por períodos más prolongados que en otros materiales estudiados. Además, es posible obtener sistemas de almacenamiento con alta densidad energética para geometrías más compactas. Por otro lado, al variar la forma del almacenamiento, el nuevo sistema de flujo radial disminuye en un 80% las pérdidas térmicas frente a topologías convencionales, y con bajos niveles de pérdida de carga. Por lo tanto, el uso de escoria de cobre en sistemas de lecho de rocas con flujo radial de fluido es un candidato potencial para reducir los costos en los sistemas TES para altas temperaturas.