Numerical modelling of molten salt thermocline storage systems : feasibility and criteria for performance improvement

The aim of this thesis is the assessment of the performance of direct molten salt thermocline thermal energy storage (TES) systems when applied to concentrated solar power plants. The considered thermocline employs solar salt at a temperature ranging between 550°C and 300°C. Thermocline TES is believed to be cheaper than state-of-art indirect two-tank TES (Andasol and Gemasolar type). The reason of this lower cost is the reduction of the number of vessels and the displacement of expensive molten salt in the tank by a low-cost packed bed (quartzite and silica sand): the packed bed acts as primary thermal storage. To better understand the behavior and performance of such TES, a two-dimensional finite-difference model is developed to predict temperature distribution in the thermocline vessel. The model includes heat transfer between molten salt and packed bed, both radial and axial diffusion as well as heat loss to the environment. The model is validated after comparison with four particular analytical solutions and with experimental data available in literature. Two performance indicators are defined in order to make a consistent comparison between thermocline and two-tank configuration: discharge efficiency and collection efficiency. Discharge efficiency is defined as the ratio of thermal energy withdrawn from thermocline TES at a temperature above 545°C on total thermal energy withdrawn. Collection efficiency is defined as the ratio of thermal energy stored in the TES on thermal energy available for storing. Both discharge efficiency and collection efficiency are equal to 100% for two-tank systems, while for thermocline TES they are found to be about 70% and 90%, respectively. It is observed that discharge efficiency is closely related to the thickness of the thermocline in the tank: further studies on molten salt and packed bed thermal conductivity, molten salt choice and tank height are made to assess if there is any chance to reduce thermocline thickness and, hence, to improve discharge efficiency.

Nella presente tesi sono studiate le performance di sistemi di accumulo diretto di sali fusi in serbatoi a termoclino associati a centrali solari termodinamiche. Il sistema in questione utilizza “solar salt” a una temperatura compresa tra i 300 °C e i 550 °C. I serbatoi a termoclino hanno costi d’investimento molto inferiori rispetto ai classici sistemi a doppio serbatoio (Andasol e Gemasolar): infatti, si riduce il numero di serbatoi richiesto per l’accumulo e i serbatoi sono riempiti con un letto impaccato di rocce di quarzite e sabbie che ha un costo molto contenuto e rimpiazza un egual volume di più costosi sali fusi. L’accumulo termico avviene principalmente nel letto impaccato e non nei sali fusi. Per comprendere le perfomance degli accumuli a termoclino viene sviluppato un modello bidimensionale alle differenze finite che permette di prevedere la distribuzione di temperatura nel serbatoio. Il modello include la trasmissione di calore tra il letto impaccato e i sali fusi, le perdite termiche verso l’ambiente e la conduzione termica radiale e assiale. Il modello è validato a seguito del confronto con quattro soluzioni analitiche e con dei dati sperimentali disponibili in letteratura. Sono definiti due rendimenti che permettono il confronto delle performance dell’accumulo a termoclino con il sistema a doppio serbatoio: il rendimento di scarica e il rendimento di accumulo. Il rendimento di scarica è definito come il rapporto tra l’energia estratta dal termoclino a temperature al di sopra di 545°C e l’energia estratta totale. Il rendimento di accumulo è definito come il rapporto tra l’energia accumulata nel serbatoio e l’energia accumulabile. Entrambi questi rendimenti sono 100% per il sistema a doppio serbatoio, mentre sono rispettivamente 70% e 90% per l’accumulo a termoclino. Si osserva inoltre che il rendimento di scarica è strettamente dipendente dall’estensione del termoclino nel serbatoio: viene condotto uno studio di sensibilità sulla conduttività termica dei sali fusi e del letto impaccato, sull’altezza del serbatoio e sul tipo di sali fusi utilizzati per cercare di ridurre l’estensione del termoclino e, quindi, di aumentare il rendimento di scarica.