Modeling and performance optimization of a thermally integrated carnot battery using a reversible HP/ORC

The share of power production by renewable energies grows year by year. The energy supply by a renewable energy technology during a day is intermittent. Hence, energy storages are required to provide the electricity that the demand requires, but when electricity production is higher than demand, energy should be stored. Pumped Thermal Energy Storages (PTES) have 3 main functions: first, with a heat pump (HP), electricity is transformed into heat when electricity production is higher than demand; secondly, the heat produced is stored in a Thermal Energy Storage (TES); and finally, the thermal storage operates as a heat source to produce electricity with the reverse operation mode of the heat pump, which in this work is an Organic Rankine Cycle (ORC). This work presents the modeling of an innovative version of a classical PTES, which recovers the waste heat of a source (Thermally Integrated Pumped Thermal Energy Storage – TIPTES). The aim of this thesis is to develop a model in which empirical models and semi-empirical models are joined to describe as best as possible the performance of the device. However, no experimental validation was carried away in this thesis. Nevertheless, the proposed HP-ORC model accounts for pressure drops in piping, part-load performance of heat exchangers and uses a semi-empirical model for the volumetric machine as well as for the feed pump in the ORC. Numerous simulations are performed in a wide range of inputs (waste heat temperature, storage temperature, mass flow rate, etc.) to analyze the performance of the system. The results obtained for the HP performance and the ORC outputs are analyzed separately. From the results of the HP, with a waste heat temperature of 70°C, the maximum COP obtained was around 14 and an isentropic efficiency of the compressor of 72%. The results of the ORC mode present that the highest reached efficiency is around 7.5%, producing 1.6 kW with a supply temperature of 90°C and 20°C in the evaporator and in the condenser, respectively. Since the round-trip efficiencies for a TIPTES could overcome 100%, in this work two dimensionless indicators were proposed in order to characterize the performance of the integrated system HP-ORC. The integrated system is optimized in two different situations: first, the power production of the ORC is higher than the power consumption of the HP (power-to-power ratio); and secondly, the energy production of the ORC is greater than the energy consumption of the HP. In the first case, since the HP and the ORC performance are related, the results show that the HP must charge the thermal storage up to 90 °C at 1000 RPM for every considered value of waste heat temperature. Under these conditions, the ORC can produce up to 4 times the power consumption of the HP. In the second case of the optimization, it is concluded that, at a waste heat temperature of 80°C and rising the thermal storage up to 85°C, the ORC is able to produce energy twice as much as the energy consumed by the HP, with a power production of almost 1 kW.

La quota di produzione di energia da fonti rinnovabili cresce di anno in anno. L'approvvigionamento energetico di una tecnologia di energia rinnovabile durante il giorno è intermittente. Pertanto, le riserve di energia sono necessarie per fornire l'elettricità richiesta dalla domanda, ma quando la produzione di elettricità è superiore alla domanda, l'energia dovrebbe essere immagazzinata. I depositi di energia termica pompata (PTES) hanno 3 funzioni principali: in primo luogo, con una pompa di calore (HP), l'elettricità viene trasformata in calore quando la produzione di elettricità è superiore alla domanda; in secondo luogo, il calore prodotto viene immagazzinato in un deposito di energia termica (TES); e infine, lo stoccaggio termico funziona come una fonte di calore per produrre elettricità con la modalità di funzionamento inversa della pompa di calore, che in questo lavoro è un ciclo di Rankine organico (ORC). Questo lavoro presenta la modellazione di una versione innovativa di un PTES classico, che recupera il calore residuo di una fonte (accumulo di energia termica pompata termicamente integrata - TIPTES). Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare un modello in cui modelli empirici e modelli semi-empirici siano uniti per descrivere al meglio le prestazioni del dispositivo. Tuttavia, nessuna tesi sperimentale è stata portata via in questa tesi. Tuttavia, il modello HP-ORC proposto tiene conto delle cadute di pressione nelle tubazioni, delle prestazioni a carico parziale degli scambiatori di calore e utilizza un modello semi-empirico per la macchina volumetrica e per la pompa di alimentazione nell'ORC. Numerose simulazioni vengono eseguite in un'ampia gamma di input (temperatura del calore di scarto, temperatura di conservazione, portata massica, ecc.) Per analizzare le prestazioni del sistema. I risultati ottenuti per le prestazioni HP e le uscite ORC vengono analizzati separatamente. Dai risultati dell'HP, con una temperatura di calore residuo di 70 ° C, il COP massimo ottenuto era di circa 14 e un'efficienza isentropica del compressore del 72%. I risultati della modalità ORC indicano che la massima efficienza raggiunta è di circa il 7,5%, producendo 1,6 kW con una temperatura di mandata di 90 ° C e 20 ° C nell'evaporatore e nel condensatore, rispettivamente. Poiché le efficienze di andata e ritorno per un TIPTES potevano superare il 100%, in questo lavoro sono stati proposti due indicatori senza dimensioni al fine di caratterizzare le prestazioni del sistema integrato HP-ORC. Il sistema integrato è ottimizzato in due diverse situazioni: in primo luogo, la produzione di energia dell'ORC è superiore al consumo di energia dell'HP (rapporto potenza-potenza); e in secondo luogo, la produzione di energia dell'ORC è maggiore del consumo di energia dell'HP. Nel primo caso, poiché le prestazioni HP e ORC sono correlate, i risultati mostrano che HP deve caricare l'accumulo termico fino a 90 ° C a 1000 RPM per ogni valore considerato della temperatura del calore di scarto. In queste condizioni, l'ORC può produrre fino a 4 volte il consumo energetico dell'HP. Nel secondo caso di ottimizzazione, si è concluso che, a una temperatura di calore residuo di 80 ° C e aumentando l'accumulo termico fino a 85 ° C, l'ORC è in grado di produrre energia doppia rispetto all'energia consumata dall'HP , con una produzione di energia di quasi 1 kW.