CO2-based mixtures as working fluids for high-temperature heat pumps and thermally Integrated PTES applications

In response to the urgent need for sustainable energy solutions, High-Temperature Heat Pumps and Pumped Thermally Energy Storage systems are promising technologies for industrial heating processes and large-scale energy storage, respectively. This thesis explores the potential of CO2-based mixtures in HTHPs, aiming on optimize performance and efficiency for industrial applications. A significant innovation lies in proposing a novel technological solution for heat pumps, utilizing an expander to improve COP and recover part of the work expended by the compressor. The performance of these system was analyzed across a large spectrum of operating parameters and plant assumptions. Results, presented through heatmaps for different configurations, demonstrate how the utilization of the expander enables significantly higher COPs with improved second law efficiencies. This leads to an advantage not only for high-temperature heat delivery processes but also for thermally integrated PTES systems, providing significant benefits to RTE. The research also involves calibrating and validating a numerical model using the Peng-Robinson Equation of State to define thermodynamic properties of mixtures, aiming to be a useful tool for their definition. Different case studies are investigated to propose efficient applications, both for HTHP and PTES. The entire study, including numerical simulations and model development, is conducted using MATLAB.

In risposta all'urgente necessità di soluzioni energetiche sostenibili, le pompe di calore ad alta temperatura e i sistemi PTES rappresentano rispettivamente tecnologie promettenti per i processi di riscaldamento industriale e lo stoccaggio dell'energia su larga scala. Il lavoro di tesi esplora il potenziale delle miscele a base di CO2 come fluido di lavoro per pompe di calore ad alta temperatura, mirandone ad ottimizzare le prestazioni e l'efficienza per l'utilizzo in applicazioni industriali. Una significativa innovazione consiste nella proposta di una soluzione tecnologica innovativa che preveda l'utilizzo di un espansore per migliorare il COP e recuperare parte del lavoro speso dal compressore. Le prestazioni di questi sistemi sono state analizzate su un ampio spettro di parametri operativi e presupposti impiantistici. I risultati, presentati attraverso mappe termiche per diverse configurazioni, dimostrano come l'utilizzo dell'espansore consenta COP significativamente più elevati con miglioramenti delle efficienze del secondo principio. Ciò porta a un vantaggio non solo per la produzione di energia ad alta temperatura, ma anche per i sistemi PTES, fornendo significativi benefici sulla RTE. Il lavoro coinvolge anche la calibrazione e la validazione di un modello numerico utilizzando l'Equazione di Stato di Peng-Robinson per definire le proprietà termodinamiche delle miscele. Vengono esaminati diversi casi di studio per proporre applicazioni efficienti, sia per HTHP che per PTES. L'intero studio, comprese le simulazioni numeriche e lo sviluppo del modello, è condotto utilizzando MATLAB.