High temperature packed bed thermal energy storage systems based on low cost materials

Resum

Los sistemas de almacenamiento térmico basados en lecho fijo se presentan hoy en día como una alternativa de bajo coste que permite incrementar sustancialmente la eficiencia de numerosos procesos industriales. En esta tecnología, partículas de un material sólido apiladas formando un lecho son empleadas como medio de almacenamiento térmico. A través de este lecho se hace circular un fluido caloportador el cual cede o recibe el calor en función de si el sistema está en modo de carga o descarga, respectivamente. Teniendo en cuenta lo anterior, en la presente tesis se plantea el uso de materiales cerámicos de bajo coste. En particular, se propone un residuo generado en la producción de hierro y acero, la escoria, y una material natural, mineral de magnetita. Dichos materiales son estudiados en profundidad determinando su estabilidad y principales propiedades térmicas, mecánicas y estructurales que afectan a su comportamiento en sistemas de lecho fijo, a temperaturas de hasta 1000 °C. Además, en esta tesis se desarrolla un modelo teórico para la descripción de los principales mecanismos de transferencia de calor y de dinámica de fluidos inherentes al lecho fijo. Tras su extensiva validación con resultados experimentales, dicho modelo es utilizado para la elaboración de una guía para el diseño optimizado de esta tipología de sistemas de almacenamiento térmico. Finalmente, el trabajo realizado se completa con el diseño e integración de los sistemas estudiados en tres entornos industriales con elevada producción o demanda de energía térmica. En particular, se demuestra el gran potencial de estos sistemas en la recuperación de calor de los gases a alta temperatura generados en una acería de tecnología de horno de arco eléctrico; en la captación del calor generado en la etapa de compresión en una central de almacenamiento en aire comprimido, y su posterior reutilización en el proceso de expansión; y en una central termo-solar para extender el número de horas de producción eléctrica.