Thermodynamic analysis and optimal working fluid selection of a reversible Heat Pump-Organic Rankine Cycle coupled to a renewable energy based thermo-chemical energy storage

In the present thesis work the author analyzes an innovative thermochemical storage system based on a heat pump charge cycle and a organic Rankine discharge cycle. Using a low temperature heat source (which could be an industrial waste source or a renewable heat source) a working fluid is evaporated in a low pressure heat exchanger. The fluid, after being compressed, it is condensed in a high pressure exchanger and releases heat which feeds a thermochemical reactor, in which a reversible reaction takes place. When there is a need to produce electricity, the inverse exothermic reaction takes place, which releases useful heat to evaporate the working fluid It is then expanded in the turbine, producing power. Furthermore, by condensing, this fluid heats the water of a district heating system. The author has developed in Matlab a set of codes in order to analyze the thermodynamics of the two cycles and evaluate which are the best fluids in terms of round-trip-efficiency. The discharge cycle is calculated by imposing the equality of the areas of the exchangers, as the components are the same for the two cycles. Both for the base case and by carrying out sensitivity analyses on various generations of district heating and low temperature heat source temperatures, the best fluid is Benzene, which guarantees a round-trip-efficiency higher than 100% when using a fifth generation district heating network and a 110°C heat source.

Nel presente lavoro di tesi si analizza un innovativo sistema di accumulo termochimico basato su un ciclo di carica a pompa di calore e un ciclo Rankine a fluido organico di scarica. Utilizzando una fonte di calore a bassa temperatura (che potrebbe essere una fonte di scarto industriale oppure da rinnovabili) si fa evaporare un fluido di lavoro in uno scambiatore di bassa pressione. Il fluido, dopo essere stato compresso, viene fatto condensare in uno scambiatore di alta pressione e rilascia calore che alimenta un reattore termochimico, nel quale avviene una reazione reversibile. Quando c'è necessità di produrre energia elettrica, si fa avvenire la reazione inversa, esotermica, che rilascia del calore utile per far evaporare il fluido di lavoro, che viene espanso in turbina producendo potenza. Inoltre, condensando, tale fluido riscalda dell'acqua di un sistema di teleriscaldamento. L'autore ha sviluppato in Matlab un set di codici per analizzare la termodinamica dei due cicli e valutare quali siano i fluidi migliori in termini di round-trip-efficiency. Il ciclo di scarica è calcolato imponendo l'uguaglianza delle aree degli scambiatori, in quanto i componenti sono gli stessi per i due cicli. Sia per il caso base, sia effettuando delle analisi di sensibilità su varie generazioni di teleriscaldamento e di temperature della fonte di calore a bassa temperatura, il fluido migliore risulta essere il Benzene, che garantisce una round-trip-efficiency superiore al 100% quando si utilizza una moderna rete di teleriscaldamento e una fonte di calore a 110°C.