Supercritical carbon dioxide as thermal energy storage medium from experimental and numerical standpoints

Abstract

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.O advento da industrialização faz com que haja um aumento na demanda de energia mundial. Devido a isto e à crescente preocupação com o meio ambiente, há um interesse em substituir combustíveis fósseis por fontes de geração de energia renováveis. Contudo, tais fontes possuem certas características que limitam a sua aplicação. Uma destas limitações é o fato de serem intermitentes, fazendo com que a geração de energia dependa da disponibilidade da fonte. Um exemplo disto é o caso da energia solar, em que há desencontro entre as horas de geração, durante o dia, e as horas em que há uma maior demanda, à noite. Assim, sistemas de armazenamento de energia térmica (Thermal Energy Storage ? TES) são uma opção viável para mitigar os efeitos de intermitência, permitindo que a energia térmica seja utilizada quando a fonte não está mais disponível. Todavia, as tecnologias de TES atuais possuem certas restrições, principalmente no que concerne às limitadas taxas de transferência de calor e densidade de energia armazenada, e à corrosividade dos materiais utilizados. Deste modo, devido à intensa variação de propriedades termofísicas perto do ponto crítico, fluidos supercríticos parecem ser uma opção viável como meios de TES, apresentando elevados coeficientes de transferência de calor e densidade de energia. Baseado no que foi discutido, uma bancada experimental operando a volume constante foi construída para estudar o coeficiente de convecção natural em fios aquecidos com dióxido de carbono supercrítico (s-CO2) e a densidade de energia armazenada neste fluido. Resultados de transferência de calor foram obtidos mediante simulação numérica para complementar os resultados experimentais e avaliar condições de operação aquém das testadas experimentalmente. Da mesma maneira, análises termodinâmicas foram realizadas para expandir os resultados experimentais de densidade de energia armazenada para outras condições de temperatura e pressão de operação. Condições ótimas de operação para maximizar a taxa de transferência de calor foram observadas as quais estão diretamente relacionadas ao comportamento das propriedades termofísicas do fluido. A densidade de energia armazenada também apresenta condições de temperatura e pressão que maximizam o armazenamento térmico. A obtenção de resultados de transferência de calor e densidade de energia térmica armazenada para condições além das testadas permite avaliar o desempenho do s-CO2 em condições de operação mais próximas daquelas necessárias em aplicações de geração de energia. Deste modo, os resultados teóricos para s-CO2 são comparados com ar, nitrogênio e hélio, fluidos que também são estudados para aplicação em sistemas de geração de energia solar térmica, uma das aplicações de TES. Os resultados de tal análise mostram que o s-CO2 apresenta coeficiente de transferência de calor menor apenas do que o hélio e densidade de armazenamento superior a todos os fluidos avaliados, indicando assim que o dióxido de carbono supercrítico pode ser um meio de armazenamento térmico até para condições muito acima do ponto crítico, onde as propriedades termofísicas não apresentam variações elevadas.Abstract: The advent of industrialization causes an increase on energy demand around the world. Because of this and to the increasing concern about the environment, there is an interest in replacing fossil fuels for renewable energy. However, such energy sources present certain characteristics that limit their usage. One of these limitations is the fact that they are intermittent, which makes the energy generation dependent on the availability of the source. One example of this is solar energy, in which there is a mismatch between the generation hours, during daytime, and the hours in which the demand is greater, at nighttime. Thus, Thermal Energy Storage (TES) systems are a viable option to diminish these intermittency effects, making it possible for thermal energy to be used when the source is not available anymore. Nonetheless, current TES technologies possess certain restrictions, mostly concerning the limited heat transfer rates and stored energy density, and to the fact that these materials present high corrosion. Hence, given the intense thermophysical properties variation near the critical point, supercritical fluids seem to be a viable option as TES medium, presenting elevated heat transfer coefficients and energy density. Based on what was discussed, an experimental apparatus operating at constant volume was built to study the convective heat transfer coefficient for natural convection in heated wires with Supercritical Carbon Dioxide (s-CO2) and its stored energy density. Heat transfer results were obtained through numerical simulation to aggregate the experimental results and evaluate operational conditions beyond the ones tested experimentally. Similarly, thermodynamical analyses were made to expand the experimental results about stored thermal energy density for other conditions of temperature and pressure. Optimal operational conditions to maximize the heat transfer rate were observed, which are directly related to the behaviour of the fluid?s thermophysical properties. The stored energy density also presents temperature and pressure conditions that maximize the TES. Obtaining heat transfer and TES density results for operational conditions beyond the ones tested allows the evaluation of the performance of s-CO2 as TES medium in conditions closer to the ones required for power generation application. Hence, the theoretical results of s-CO2 are compared with air, nitrogen and helium, fluids that have also been studied for thermal solar power, one of the applications of TES. The results of this analysis shows that the s-CO2 presents heat transfer coefficient smaller only than helium, and thermal energy density higher than all other fluids evaluated, implying that supercritical carbon dioxide can be a TES medium even for operational conditions much above its critical point, where the thermophysical properties do not present elevated variations