Sensible heat storage in cement-based materials for solar thermal power plants infrastructures

Abstract

The continuous increase in global energy demand has intensified the negative effects of Climate Change, owing to the fact that the current models for producing energy are mainly based on fossil fuels. That is the reason why society needs for accelerating the transition into renewable energy sources and world leaders are struggling to cope with the future of energy to attain a better sustainable world. Research in solar energy with the aim of finding a clean alternative to fossil fuels began to become popular almost 4 decades ago. However, energy storage and particularly thermal energy storage became popular at the beginning of the 21st century. The importance of doing a transition to a society based on renewable energies has expanded the interest and funding of these kinds of technologies and, as a consequence, the research has grown exponentially over the last 10 years. Because of the increasing construction of Concentrated Solar Power (CSP) Plants around the World, the interest in thermal energy storage systems able to store energy at high temperatures has been also increased. The use of concrete as solid material for Thermal Energy Storage (TES) has been proved in some trials at laboratory and demonstration sites up to 450°C. However, as the knowledge on the topic goes on, the limits of operation are changing to upper temperatures and the mediums of TES needs to be adapted and improved without compromising its performance for the operation of the facility. Nevertheless, the new limits of operation up to 600°C due to the advances in the molten salts force the designed concrete for TES to operate at higher limits of temperatures and under thermal cycling. Unfortunately, the knowledge on the performance of concrete at high temperatures is most limited to structures under a fire scenario. However, the boundary conditions of concrete exposed to a fire differs from the application of energy storage, in the first case the concrete is designed for resisting under Ultimate Limit State (ULS) and the second for Serviceability Limit State (SLS). New limits also influence the thermophysical properties of concrete, whose evolution with temperature is limited in the literature. This fact also affects the results of the heat transfer models because those parameters are usually assumed constant and temperature-independent. This doctoral thesis focuses on demonstrating the suitability of using concrete for TES infrastructures at temperatures up to 550°C and validating the performance in both the commissioning and operation processes. To do so firstly has been proposed the design and testing of concrete for being operated under cyclic regimes of the temperature of a CSP Plant so as to validate the performance and its appropriateness for being used in the TES infrastructures. A wide set of experiments were carried out in order to characterize the mechanical and physicochemical properties of the materials. Furthermore, the evolution of the thermal parameters was analysed in deep owing to the importance of the application of TES. A test protocol for measuring the thermal conductivity of concrete at high temperatures was developed and the parameter was measured during two heating and cooling processes. This is the most complete work up to date in the evolution of thermal conductivity with temperatures up to 600°C and for repetitive heating and cooling cycles. This outcome has revealed that the variations in the thermal conductivity of concretes exposed to the cycles experienced a significant variation in the first heating and, hence, the temperature-dependence expressions are valuable for models of heat transfer. Later, the commissioning of concrete before its operation at high temperatures was validated in different compositions. The proposed protocol allows following the level of drying of concrete exposed to heat in real time by monitoring the concrete. The level of drying detectable with this methodology was above 90% and it was verified at the lab-scale. The lack of knowledge in the closest prior art of this discovery made it feasible to protect the knowledge and apply for a National Patent, which was registered at OEPM. After that, a mock-up section of a thermocline tank made of concrete was built in collaboration with some industrial partners to evaluate the commissioning and operation at an up-scale. The challenge consisted of using concrete as an element in thermocline tanks where both cold and heated molten salts are placing in the same tank. The mock-up of a section of a thermocline tank simulates the following components: a steel container, an air chamber, a concrete layer and finally, the insulating layer. The outcomes of this development allowed learning some lessons related to the construction, commissioning and operation of thermocline tanks made of concrete for the TES of molten salts in CSP Plants. Then, the thermal performance of the mock-up section of a thermocline tank was simulated through two MATLAB® codes. The first one represented the profiles of temperature in the prototype for analyzing the depth of the heat along with the prototype during the test. The second code simulates a thermal model of the whole mock-up in order to analyze in more detail the type of convection in the air chamber during the thermal cyclic performance. The results of both codes highlighted the role of the concrete as an insulating material and its adequacy for being used in the TES infrastructure. Furthermore, the effect of the air gap between the steel and the concrete is significant due to the forced convection during the operation. The evolution of the research developed in this PhD has produced an improvement in the Technology Readiness Level (TRL) starting from the idea or concept (TRL 2-3), which was probed and validated at lab-scale (TRL 4) and in a relevant simulated environment (TRL 5). As the research of the thesis has been undertaken under a European Innovation Project within Horizon 2020 Framework Programme (“NewSOL”, grant agreement No 720985), the present thesis has applied for the Industrial PhD distinction.

El continuo aumento de la demanda de energía mundial ha intensificado los efectos negativos del cambio climático debido al hecho de que los modelos actuales de producción de energía están basados principalmente en combustibles fósiles. Esa es la razón por la cual la sociedad necesita acelerar la transición hacia fuentes de energía renovables y los líderes mundiales se esfuerzan por afrontar el futuro de la energía para conseguir un mundo mejor y más sostenible. La investigación en energía solar con el objetivo de encontrar una alternativa limpia a los combustibles fósiles comenzó a popularizarse hace casi cuatro décadas. Sin embargo, el almacenamiento de energía, y en particular el almacenamiento de energía térmica comenzó a popularizarse a principios del siglo XXI. La importancia de hacer una transición hacia una sociedad basada en energías renovables ha incrementado el interés y la financiación de este tipo de tecnologías y, como consecuencia, la investigación ha crecido exponencialmente en los últimos 10 años. Debido a la creciente construcción de plantas termosolares de concentración en todo el mundo, también ha aumentado el interés por los sistemas de almacenamiento de energía térmica capaces de almacenar energía a altas temperaturas. El uso del hormigón como material sólido para el Almacenamiento de Energía Térmica (AET) ha sido probado en algunos ensayos en laboratorio y en demostradores hasta 450°C. Sin embargo, a medida que avanzan los conocimientos sobre el tema, los límites de funcionamiento están cambiando a temperaturas superiores y es necesario adaptar y mejorar los medios de AET sin comprometer su rendimiento para el funcionamiento de la instalación. Los nuevos límites de funcionamiento hasta 600°C debido a los avances en las sales fundidas obligan a que el hormigón diseñado para el AET funcione con límites de temperaturas más elevados y bajo ciclos térmicos. Lamentablemente, el conocimiento sobre el comportamiento del hormigón a altas temperaturas se limita sobre todo a las estructuras sometidas a fuego. Sin embargo, las condiciones de contorno del hormigón expuesto a un incendio difieren de la aplicación del almacenamiento de energía, en el primer caso el hormigón se diseña para resistir bajo el Estado Límite Último (ELU) y en el segundo para el Estado Límite de Servicio (ELS). Los nuevos límites también influyen en las propiedades termofísicas del hormigón, cuya evolución con la temperatura es muy limitada en la literatura. Este hecho también afecta a los resultados de los modelos de transferencia de calor, ya que estos parámetros se suelen suponer constantes e independientes de la temperatura. Esta tesis doctoral se centra en demostrar la capacidad del uso del hormigón para infraestructuras de AET a temperaturas de hasta 550°C y en validar el funcionamiento tanto en el proceso de puesta en marcha como en el de operación de la instalación. Para ello se ha propuesto, en primer lugar, el diseño y ensayo de hormigones operados bajo regímenes cíclicos de temperatura propios de una central termosolar con el fin de validar las prestaciones y su idoneidad para ser utilizados en las infraestructuras AET. Se realizó un amplio conjunto de experimentos para caracterizar las propiedades mecánicas y fisicoquímicas de los materiales. Además, se analizó la evolución de los parámetros térmicos en profundidad debido a su importancia en aplicaciones de AET. Se desarrolló un protocolo de ensayo para medir la conductividad térmica del hormigón a altas temperaturas y se midió el parámetro durante dos procesos de calentamiento y enfriamiento. Este es el trabajo más completo hasta la fecha en la evolución de la conductividad térmica con temperaturas de hasta 600°C y para ciclos repetitivos de calentamiento y enfriamiento. Los resultados han revelado que las variaciones de la conductividad térmica de los hormigones expuestos a ciclos experimentaron un cambio significativo en el primer calentamiento y, por tanto, las expresiones que demuestran su dependencia con la temperatura son valiosas para los modelos de transferencia de calor. Posteriormente, se validó la puesta en servicio del hormigón antes de su funcionamiento a altas temperaturas en diferentes composiciones. La metodología propuesta permite seguir el nivel de secado del hormigón expuesto al calor en tiempo real mediante su monitorización. El nivel de secado detectable con este protocolo fue superior al 90% y se verificó a escala de laboratorio. La falta de conocimiento en el estado de la técnica más cercano de este descubrimiento hizo que se protegiera el conocimiento y se solicitara una Patente Nacional, que fue registrada en la OEPM. Posteriormente, se construyó una maqueta de un tanque termoclino de hormigón en colaboración con algunos socios industriales para evaluar la puesta en marcha y el funcionamiento a escala superior. El reto consistía en utilizar el hormigón como elemento en tanques termoclinos en los cuales se alojan sales fundidas tanto frías como calientes en el mismo tanque. La maqueta de la sección de tanque termoclino simuló los siguientes componentes: un depósito de acero, una cámara de aire, una capa de hormigón y finalmente, una capa de aislante. Los resultados de este desarrollo permitieron aprender algunas lecciones relacionadas con la construcción, la puesta en marcha y operación de los tanques termoclinos hechos de hormigón para el AET de sales fundidas en las plantas termosolares de concentración. A continuación, se simuló el funcionamiento térmico de la maqueta de la sección de un tanque termoclino mediante dos códigos MATLAB®. El primero representó los perfiles de temperatura en el prototipo para analizar la profundidad del calor a través del prototipo durante el ensayo. El segundo código simuló un modelo térmico de todo el prototipo para analizar con más detalle el tipo de convección en la cámara de aire durante el funcionamiento de los ciclos térmicos. Los resultados de ambos códigos pusieron de manifiesto el papel del hormigón como material aislante y su idoneidad para ser utilizado en la infraestructura de AET. Además, el efecto del aire entre el acero y el hormigón es significativo debido a la convección forzada durante la operación. El desarrollo de la investigación llevada a cabo en este doctorado ha producido una mejora en el Nivel de Madurez de la Tecnología (NMT) partiendo de la idea o concepto (NMT 2-3), que fueron probados y validados a escala de laboratorio (NMT 4) y en un entorno simulado relevante (NMT 5). Dado que la investigación de la tesis se ha llevado a cabo en el marco de un Proyecto Europeo de Innovación dentro del Programa Marco Horizonte 2020 ("NewSOL", acuerdo n° 720985), se ha solicitado la Mención de Doctorado Industrial para la presente tesis.