Phase change materials : a preliminary study on an Al-based alloy as thermal energy storage material

Today more than ever the research about energy storage, in general, is addressed to manage the mismatch between supply and demand if energy supplied by not predictable sources are suddenly lacking, sometimes, because of the increasingly massive use of renewable energies. More generally such exploitation as well as to pollution issues is also related to continuing diatribes on energy independence of the advanced countries over still politically unstable areas in the world. Thermal energy storage in general, and phase change materials (PCMs) in particular, have been a main topic in research for the last 30 years. The general idea was to divide this thesis work into two parts. In the first phase, I created in the laboratories of the Department of Mechanical Engineering at Politecnico di Milano an Al-based phase-change material. Afterwards I proceeded to carry out a simulation by means of Finite Element Method to observe the behavior at the microscopic level of the same material and compare the results between it. For the simulation part, I went personally to Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) of Magdeburg, in Germany, thanks to the cooperation between our department and the Institut für Mechanik, Fakultät für Maschinenbau at OVGU. We chose to use the Abaqus/CAE software for this part.

Oggi più che mai la ricerca riguardante lo stoccaggio di energia, in generale, è indirizzata a gestire il mismatch fra domanda e offerta quando l’energia fornita da fonti aleatorie viene improvvisamente a mancare in alcuni momenti a causa del sempre più massiccio sfruttamento delle energie rinnovabili. Più in generale tale sfruttamento è perseguito, oltre che per questioni di inquinamento, anche a causa delle continue diatribe riguardanti l’indipendenza energetica dei paesi avanzati rispetto ad aree del mondo ancora politicamente instabili. L’immagazzinamento di energia termica in generale, e i materiali a cambiamento di fase (PCMs) in particolare, sono uno degli argomenti principali nella ricerca da circa 30 anni. L'idea generale per il mio lavoro di tesi è stata quella di dividerlo in due parti. Nella prima fase ho creato nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica presso il Politecnico di Milano un materiale a cambiamento di fase costituito da una lega a base alluminio. Sono state effettuate delle prove nell’ambito della metallurgia delle polveri che hanno permesso di ricavare, partendo dalle stesse misture di base, materiali differenti a seconda dei trattamenti termici subiti. In un secondo momento tutti i materiali ottenuti, candidati ad essere classificati come materiali a cambiamento di fase, sono stati analizzati e confrontati fra di loro al fine di scegliere il processo di produzione che meglio si adatta allo sfruttamento di queste leghe leggere come sistemi di accumulo termico. Successivamente ho effettuato una simulazione mediante il Metodo degli Elementi Finiti al fine di osservare il comportamento a livello microscopico dello stesso materiale prodotto in fase sperimentale. Dopo un’analisi dei meccanismi di scambio termico che governano i fenomeni di cambiamento di fase è stato creato il modello tridimensionale che meglio si adattava alla morfologia del nostro materiale. In seguito sullo stesso modello, applicate le dovute condizioni al contorno, e dopo un’approfondita analisi sul processo di suddivisione in elementi finiti (meshing), è stato osservato il comportamento del materiale in risposta alle due transizioni di fase: la fusione e la solidificazione. Per la parte di simulazione mi sono recato personalmente presso la Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) di Magdeburgo, in Germania, grazie alla collaborazione che esiste tra il nostro dipartimento e l'Institut für Mechanik, Fakultät für Maschinenbau alla OVGU. Abbiamo scelto di utilizzare il software Abaqus/CAE per questa parte. Infine una panoramica sulle già esistenti applicazioni per materiali a cambiamento di fase olte che, prospettive di ricerca future in questo ambito, sono state esposte.