Analisi sperimentale di sistemi di stoccaggio di calore per impianti solari a concentrazione (CSP).

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1 Analisi sperimentale di sistemi di stoccaggio di calore per impianti solari a concentrazione (CSP). A. Miliozzi, R. Liberatore, E. Veca, T. Crescenzi ENEA, DTE-STT

2 Obiettivo generale Rendere l energia solare a concentrazione competitiva con le altre forme di energia Obiettivo SunShot L iniziativa del DOE «SunShot» è una collaborazione nazionale per rendere l energia solare competitiva con altre forme di energia, senza incentivi, alla fine di questa decade.

3 Il Sistema di Accumulo Energia Termica (TES) intervallo di temperatura operativo HTTES : oltre i 200 C. MTEES : 100 C-150 C. LTTES : 10 C-100 C. CTES : sotto i 20 C. intervallo di tempo di accumulo breve termine, lungo termine stagionale. SHTES (Sensible Heat): sono quelli più commerciali e di comune utilizzo. Richiedono grandi volumi, hanno un importante impatto ambientale e costi elevati. LHTES (Latent heat): elevata densità di energia accumulata, ridotte dimensioni e costi. Necessita di ricerca per risolvere alcune problematiche come ad esempio la bassa diffusività termica dei materiali di accumulo. Buone prospettive nel medio-breve periodo. TCES (thermo chemical): i valori più elevati di densità energia accumulata, in fase di ricerca iniziale. Competitivi nel lungo periodo.

4 L ENEA ed il TES Concetto impianto CSP ENEA Costo del TES Accumulo indiretto olio-sale solare /kwh di energia accumulata Accumulo diretto con sale solare /kwh di energia accumulata Target dischiarato /kwh entro in 2020 Nuove soluzioni tecniche che: ridurre le dimensioni del TES densità di energia accumulata maggiore Enea (2001): nuova tipologia di impianto solare a concentrazione per rendere l energia solare competitiva con le altre forme. Impianti più efficienti ed economici integrati con TES. Obiettivo: ridurre il costo del classico TES a calore sensibile a doppia tanca: i) ridurre le dimensioni del sistema di accumulo termico incrementando la differenza di temperatura del ciclo termico; ii) eliminare lo scambiatore di calore tra HTF e sistema di accumulo (accumulo di tipo diretto) Sali solari (nitrati di sodio e potassio) sia come fluido termovettore (HTF) che some mezzo di accumulo (HSM): T max è passata da 390ºC (olio diatermico) a 550ºC Salto termico è passato da 100ºC a 260ºC A parità di capacità di accumulo, le tanche hanno dimensioni ridotte e sono più economiche. Impianto Archimede Priolo Gargallo Possibile soluzione: TES a calore latente

5 TES a calore latente (LHTES) Sfruttare il calore latente di fusione per aumentare la capacità termica del HSM 1 kg di sali solari, T= 100ºC 170 kj di calore sensibile Se avviene un cambio di fase solido-liquido kj di calore latente La capacità di accumulo del mezzo è quasi raddoppiata. Il concetto di LHTES è l obiettivo della ricerca in atto LHTES: tipo indiretto e passivo Tre componenti principali: un mezzo di accumulo (PCM), la cui temperatura di cambiamento di fase sia in accordo con la temperatura del HTF; un sistema di contenimento opportuno, compatibile con il PCM; una superficie di scambio termico (scambiatore di calore), ove necessaria, che garantisca un efficiente trasferimento di calore tra HTF e PCM e viceversa. Lo sviluppo di un LHTES passa attraverso lo studio e la progettazione di ciascuno di questi componenti.

6 PCM e NFPCM - Scelta KNO 3 NaNO 3 - Sali solari : Elevata capacità termica, Basso costo, Bassa conducibilità termica PCM e nanoparticelle (Nano-Fluid PCM NFPCM) 1-2%wt di particelle con dimensioni nanometriche in un liquido si ottiene un nuovo fluido (detto nanofluido) con proprietà termo fisiche «anomale» superiori a quelle previste dalla normale teoria delle miscele un incremento significativo della conducibilità termica; un trasferimento di calore più efficiente; una elevata stabilità alla sedimentazione a causa delle dimensioni e del peso limitati; una frizione ed erosione delle superfici dei condotti trascurabili; Anche il calore specifico può essere migliorato: si possono avere incrementi del c p dal 15 al 50% con l aggiunta di % in peso di nanoparticelle (es: SiO 2 -Al 2 O 3 ).

7 Studio, progettazione, realizzazione impianto ATES ATES* (Advanced Thermal Energy Storage) *Contributo MSE Ricerca Sistema Elettrico

8 Campagna sperimentale Impostazione Temperatura Julabo TEST Tipo: Ciclo T ambiente 280ºC e viceversa Durata complessiva: circa 43 ore Sequenza di tre stazionari a 200ºC (primo riscaldamento), 11 ore 280ºC (carico TES), 9 ore 150ºC (scarico TES), 11 ore Misura quantità PCM o NFPCM Circa 3 kg Calore fusione PCM 330kJ (91.7Wh) NFPCM 380kJ (105.5 Wh)

9 Elaborazione ed analisi dei dati TES a tubo liscio 1 3 PCM NFPCM 2 4 TES a tubo alettato

10 Elaborazione ed analisi dei dati Proprietà Unità PCM NFPCM Densità Kg/m Cp J/kg/^C k W/m/K T fusione ^C Calore latente kj/kg Dato Unità Fase di carico Fase di scarico Test Test T ^C Tempo h Energia Wh P media W

11 Test durabilità per NFPCM Prova durabilità NFPCM Confronto temperature Cicli 10 e 30

12 Risultati Nel PCM, la bassa conducibilità e diffusività termica (α=k*(ρ*c p ) -1 ) è compensata, in fase liquida ed in assenza di limitazioni fisiche (tubi lisci), dall innesco di moti convettivi che facilitano il trasferimento di calore, come mostrato dal ridotto tempo di carico e dal confronto degli andamenti delle temperature. Nel NFPCM, a fronte di una sostanziale invarianza della diffusività termica, risultano incrementate sia la capacità termica (15-20%) che l effusività termica ((kρc p ) 1\2 ). Comunque, la fase di carico, con tubi lisci, è più lenta (6 ore,+30%) manifestando un comportamento puramente conduttivo anche in fase liquida. Ciò è probabilmente dovuto ad un incremento della viscosità del mezzo di accumulo, che impedisce la partenza di moti convettivi. L uso di tubi alettati mette in evidenza la loro azione di promozione della conducibilità. I tempi di carico e scarico sono più contenuti (-30%) e sostanzialmente indipendenti dal mezzo di accumulo. I test di carico con tubi lisci e PCM mostrano tempi confrontabili con quelli a tubi alettati. In questo caso il trasferimento di calore è principalmente di tipo convettivo ed ha effetti similari a quelli in cui sono presenti le alette. Nei casi con tubi alettati, la fase di scarico è più rapida in quanto l azione ritardante (isolante) dovuta alla solidificazione dei sali sulla parete di scambio termico è parzialmente compensata dalla azione delle alette. Nei TES con NFPCM e tubi alettati, la maggiore capacità termica unita al minore tempo di scarico consente al sistema di fornire una maggiore potenza media di progetto (circa il 30%).

13 Conclusioni E stato analizzato il comportamento termico di un sistema LHTES, incrementando la superficie di scambio termico (alette) e le proprietà dei PCM (nanoparticelle), mediante test eseguiti su un apparecchiatura appositamente realizzata (ATES). Le prove hanno mostrato: L effetto rilevante dei sistemi di promozione della conducibilità sui tempi di carico del sistema; La possibile presenza di moti convettivi all interno del mezzo di accumulo che possono migliorare le condizioni di scambio (da conduttivo a convettivo); La maggiore capacità di accumulo del NFPCM utilizzato a fronte di una diffusività termica invariata e dell assenza di moti convettivi significativi. Per il futuro sarà necessario: Studiare dei nuovi NFPCM basati sui Sali Solari ma con differenti tipi di nanoparticelle in grado di incrementare in misura significativa la diffusività termica del mezzo; Sviluppare modelli numerici, sia complessi che semplificati, che tengano in conto che il cambio di fase è governato non solo dalla conduzione ma anche dalla convezione; Utilizzare detti modelli per progettare/realizzare un sistema di accumulo ottimizzato multitubo da poter testare sull impianto ATES.

14 Raffaele Liberatore ENEA - CR Casaccia DTE-STT-SCIC raffaele.liberatore@enea.it