Constant-volume vapor-liquid equilibrium for thermal energy storage : a generalized procedure for mixture evaluation and applications to steam accumulation

Thermal energy storage systems are of great interest for the next future, since they could have a relevant impact on renewable energy technologies. In particular, they are crucial in increasing the reliability and availability of energy in Concentrated Solar Power plants. Current storage technologies present drawbacks as low energy densities, limited temperature ranges of application and poor heat transfer properties. Constant-volume vapor-liquid phase transition is proposed for thermal storage applications, since it presents higher flexibility and increased heat transfer attributes. The objective of this work is to assess performances of a high-temperature latent heat thermal battery with a new storage system. As first step, a procedure to evaluate pure fluids and mixtures is presented, keeping a generalized approach. The chosen methodology is the Corresponding State Principle of Lee-Kesler, which is applied to constant-volume systems mainly in saturated conditions. Once proved the consistency of this method, simulations of a simplified model of the thermal battery are performed. A sensitivity analysis on critical properties of a hypothetical storage fluid is carried out. Lee-Kesler fluid-independent approach is exploited in order to have a guideline in the real fluid choice. The main outcome is that a suitable two-phase storage fluid should have a high critical temperature, with an optimal value around 850 K. Two real pure fluids, water and a siloxane known as D6, are selected. Their use is compared to an existing sensible concrete storage system, analyzed in the same application. D6 shows an increase of 45% in the energy stored, while water has even higher performances with an increment of 82% with respect to concrete storage.

I sistemi di accumulo di energia termica sono di grande interesse per il futuro prossimo, poiché potrebbero avere un impatto rilevante su tecnologie riguardanti l’energia rinnovabile. In particolare, sono cruciali nell’incrementare affidabilità e disponibilità di energia negli impianti solari a concentrazione. Le attuali tecnologie di accumulo presentano svantaggi, come basse densità di energia, intervalli di temperatura limitati e scarse proprietà per il trasferimento di calore. Viene proposta la transizione di fase liquido-vapore per applicazioni di accumulo termico, in quanto presenta alta flessibilità e migliori proprietà di scambio termico. L’obiettivo di questo lavoro è di valutare le prestazioni di una batteria termica che sfrutta il calore latente ad alta temperatura attraverso un nuovo sistema di accumulo. Come primo passo, viene presentata una procedura per valutare fluidi puri e miscele, mantenendo un approccio generalizzato. La metodologia scelta è il Principio degli Stati Corrispondenti formulato da Lee-Kesler, il quale viene applicato a sistemi a volume costante principalmente in condizioni sature. Una volta provata la coerenza di questo metodo, sono eseguite delle simulazioni di un modello semplificato della batteria termica. Viene svolta una analisi di sensitività sulle proprietà critiche di un fluido ipotetico usato per l’accumulo. L’approccio fluido-indipendente di Lee-Kesler è sfruttato per ottenere una linea guida per la scelta di un fluido reale. Il risultato principale è che un fluido bifase adatto dovrebbe avere una temperatura critica alta, con un valore ottimo attorno a 850 K. Sono selezionati due fluidi reali, acqua e un siloxano conosciuto come D6. Il loro utilizzo viene confrontato con un esistente sistema di accumulo che sfrutta il cemento, analizzato per la stessa applicazione. Il D6 mostra un aumento del 45% di energia accumulata, mentre l’acqua rivela prestazioni persino migliori con un incremento dell’82% rispetto all’energia immagazzinata nel cemento sensibile.