Experimental characterization and modeling of a vertical rock bed for high temperature thermal energy storage

The investigation of energy storage has become of interest in the nearly years due to the higher presence of renewable energy in the energy market. In the present work a high temperature thermal energy storage (HTTES) in packed bed is studied, the prototype was built in DTU Energy department which has a vertical flow orientation and follows the first prototype with horizontal flow configuration, in order to enhance the performance. The role of this project is to characterize the vertical set up that is a storage with a volume of 3.2 cubic meter filled of crushed rocks. A description of the materials and the operating conditions is presented followed by the results that focus on the temperature distribution within the rock bed and on the estimation of the thermal efficiencies i.e. charge and roundtrip efficiencies. A round trip efficiency of around 73% was found for the best configuration studied. A 2D axis-symmetric model of the experimental setup is also provided by means of the software COMSOL Multiphysics. A brief description of the geometry that resembles the real apparatus is provided followed by the explanation of the equations and boundary conditions. Results of the charge phase are then compared with the experimental one and a study of different parameter design is performed as the charge phase is the limit process on the roundtrip efficiency. Results are presented as two-dimensional temperature profiles, charge efficiency and heat losses for the different operating parameters analyzed. Charge efficiency was estimated between 74% and 97% for a simulation of 24 operating hours. A conclusion with suggested future works is presented with a focus on the potential of industrial scale application.

L'indagine sull'accumulo di energia è diventata interessante negli ultimi anni a causa della maggiore presenza di energia rinnovabile nel mercato dell'energia. Nel presente lavoro si studia un accumulatore di energia termica ad alta temperatura (HTTES) in letto di rocce, il prototipo a flusso verticale, è stato realizzato nel reparto DTU Energy come passo successivo al primo prototipo con flusso orizzontale. Lo scopo di questo progetto è quello di caratterizzare l'allestimento verticale che è uno stoccaggio di 3,2 metri cubi di volume di rocce frantumate. Viene presentata una descrizione dei materiali e delle configurazioni di operatività, seguita dai risultati che si concentrano sulla distribuzione della temperatura all'interno del letto di roccia e sulla stima dei rendimenti termici, vale a dire charge efficiency e roundtrip efficiency. Un'efficienza di roundtrip di circa 73% è stata trovata per la migliore configurazione studiata. Un modello 2D assial-simmetrico della configurazione sperimentale è anche stato realizzato con il software COMSOL Multiphysics. Viene fornita una breve descrizione della geometria che somiglia all'apparato reale, seguita dalla spiegazione delle equazioni e delle condizioni al contorno. I risultati della fase di carica vengono poi confrontati con quelli sperimentali e viene eseguito uno studio sui parametri e sulla loro influenza nella fase di carica, in quanto la fase di carica è il processo che limita l'efficienza di roundtrip. I risultati sono presentati sotto forma di profili bidimensionali di temperatura, efficienza di carica e perdite di primo principio per i diversi parametri operativi analizzati. L'efficienza di carica è stata stimata tra il 74% e il 97% per una simulazione di 24 ore di funzionamento. Viene presentata inoltre una conclusione con i futuri lavori suggeriti, con particolare attenzione al potenziale di applicazione su scala industriale.