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Diseño y construcción de un sistema de almacenamiento térmico en calor sensible

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2029-09-01

Date

2024

Authors

Lerga Barrio, Iván

Publisher

Acceso embargado / Sarbidea bahitua dago
Trabajo Fin de Máster / Master Amaierako Lana

Project identifier

Abstract

Los avances tecnológicos que se han dado en el último siglo han supuesto un desarrollo del sistema industrial como nunca antes se había visto y con él, un aumento del consumo energético. La sociedad actual debe reaccionar ante dicho aumento y para ello tiene que afrontar los desafíos energéticos que se presentan, entre los que se encuentran: un consumo responsable de la energía, así como la mejora en la eficiencia de los dispositivos empleados basados en tecnologías renovables como la bomba de calor y un almacenamiento energético sostenible y viable que no dependa ni de materiales escasos ni de materiales contaminantes En concreto, desde el Grupo de Investigación de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la Universidad Pública de Navarra, se está llevando a cabo el proyecto TED2021-130071A-100- TRIGGERS, que tiene como objetivo avanzar en dirección a un futuro más sostenible, mediante el desarrollo de una instalación de almacenamiento energético en forma de calor sensible. Uno de los retos que se plantean a la hora de implementar los sistemas de almacenamiento térmico es el rendimiento general de las configuraciones Power-to-Heat-to-Power, donde el bajo rendimiento del proceso Heat-to-Power reduce significativamente el rendimiento general. Por lo que mediante este proyecto se pretende diseñar y construir un sistema de almacenamiento térmico, preparado para la implementación de una bomba de calor termoeléctrica, a modo de sistema Power-to-Heat, que permita realizar un estudio preciso de este tipo de sistemas, llegando a comprender con exactitud los fenómenos físicos de transmisión de calor que se dan en este y permitiendo en un futuro optimizar la instalación con el sistema de bomba de calor termoeléctrica, con el que estudiar la posibilidad de desarrollar un sistema de almacenamiento energético reversible. El presente Trabajo Fin de Máster se centra en el diseño y construcción de un sistema de almacenamiento térmico sensible, con el que poder estudiar los procesos de carga, almacenamiento y descarga de los sistemas Power-to-Heat-to-Power, con el fin de desarrollar sistemas de almacenamiento energético sostenibles y viables con el medio ambiente. Concretamente se centra en el diseño y construcción de un sistema de almacenamiento térmico con capacidad de carga en lazo abierto, carga en lazo cerrado y descarga en lazo abierto. Así como de preparar la instalación para la implementación de un sistema de bomba de calor termoeléctrica, permitiendo un estudio intensivo de esta en el futuro. El funcionamiento del sistema se basa en aportar calor al fluido calor portador, concretamente aire, haciéndolo pasar por un calefactor durante el proceso de carga. Cuando este alcanza la temperatura de almacenamiento, se hace pasar dicho fluido a través del tanque de almacenamiento, donde pequeñas esferas de acero absorben el calor para almacenarlo. Durante el proceso de descarga la trasmisión de calor se da en sentido contrario, siendo una corriente de aire frío la que absorbe el calor almacenado en las esferas.


Azken mendean emandako aurrerapen teknologikoak inoiz ikusitako garapena eskeini diote industria-sitemari, eta horrekin batera, energiaren kontsumoa haunditu da. Gaur egungo gizarteak egoera horren aurrean erantzun behar du, eta, horretarako, sortutako erronka energetikoei aurre egin behar die, batez ere, energiaren kontsumo arduratsua edukiz, bai eta teknologia berriztagarrien eraginkortasuna hobetuz ere, bero ponpak eta material urrien mende ez dauden energía-biltegiratzeak garatuz. Arlo honeta, Nafarroako Unibertsitate Publikoko Ingenieritza Termikoko eta Fluidoen-Ingenieritzako ikerketa taldeak TED2021-130071A-100-TRIGGERS proiektuan lan egiten ari da. Proiektu honen bitartez etorkizun jasangarri baten norantzan aurreratzea bilatzen dute, beroan oinarritutako energia-boltegiratze baten garapenaren bidez. Beroan oinarritutako energia-biltegiratzeak ezartzerakoan azaltzen den erronketako bat Power-to-Heat-to-Power konfigurazioen errendimendu orokorra da, non Heat-to-Power prozesuaren errendimendu baxuak errendimendu orokorra nabarmenki murrizten du. Horregatik, proiektu honen bitartez, beroan oinarritutako energia-biltegiratze bat diseinatu eta eraiki nahi da, bero ponpa termoelektriko bat edukitzeko prest dagoena, Power-to-Heat sistema gisa. Horrek, sistema horien ikerketa zehatza egiteko aukera emango du, bertan gertatzen diren bero-trasmisio fenómeno fisikoak zehaztasunez ulertzeko, eta etorkizunean bero ponpa termoelektrikoarekin instalazioa optimizatzeko aukera eskiniko du, biltegiratze energetiko itzulgarri bat garatzeko aukera ekeiniz. Master Amaierako Lan hau beroan oinarritutako energia biltegiratze sistema baten diseinua eta eraikuntzan erdiratzen da, Power-to-Heat-to-Power sistemen betetze, biltegiratze eta huste prozesuak aztertu ahal izateko, ingurumenararekin bideragarriak eta jasangarriak diren biltegiratze sistema energetikoak garatzeko helburuarekin. Zehazki, biltegiratze termikoko sistema baten diseinuan eta eraikuntzan erdiratzen da, begizta irekian betetzeko, begizta itxian betetzeko eta begizta irekian husteko ahalmenarekin. Horretaz gain, instalazioa etorkizunean bero ponpa termoelektriko bat gehitzeko ahalmena edukitzeaz arduratzen da, honen ikerketa egin ahal izateko. Sistemaren funtzionamendua hurrengoa da, beteze prozesuan, bero eramailea den fluido bat, airea, berogailu batetik pasten da, beroa xurgatuz. Biltegiratzeko tenperaturara iristen denean biltegiratzetik pasarazten da, bertako materialari bero emanez. Huste prozesuan, biltegiratzetik aire hotza pasten da, bertan gordetako beroa xurgatuz.


Technological advances over the last century have led to the development of the industrial system like never before, accompanied by a significant increase in energy consumption. Today’s society must respond to the rise in demand by facing the energetical challenges ahead, which include responsible energy consumption and improving the efficiency of devices base on renewable technologies, such as heat pumps, as well as sustainable energy storage that neither depends on scarce materials nor involves harmful pollutants. In particular, the Thermal and Fluid Engineering Research Group of the Public University of Navarre is currently working on the TED2021-130071A-100-TRIGGERS project, aimed at advancing toward a more sustainable future by developing a sensible heat energy storage system. One of the challenges in implementing thermal energy storage systems is the overall efficiency of Power-to-Heat-to-Power configurations, where the low efficiency of the Heat-to-Power process significantly reduces the overall performance. Through this project, the aim is to design and construct a thermal energy storage system prepared for the implementation of a thermoelectric heat pump, functioning as a Power-to-Heat system, which allows for a precise study of these systems. The goal is to fully understand the heat transfer phenomena within the system, enabling future optimization of the installation with the thermoelectric heat pump system and exploring the possibility of developing a reversible energy storage system. This Master's Thesis focuses on the design and construction of a sensible thermal energy storage system to study the charging, storage and discharging processes of Power-to-Heat-to-Power systems, aiming to develop environmentally sustainable and viable energy storage solutions. Specifically, it focuses on the design and construction of a thermal energy storage system with the capability for open-loop charging, closed-loop charging, and open-loop discharging, while also preparing the installation for the future integration of a thermoelectric heat pump, allowing for an intensive study of this in the future. The system operates by transferring heat to the heat transfer fluid, in this case, air, which passes through a heater during the charging process. Once it reaches the storage temperature, the fluid flows through the storage tank, where small steel spheres absorb the heat for storage. During the discharging process, the heat transfer occurs in the opposite direction, with a cold air stream absorbing the heat stored in the spheres.

Description

Keywords

Almacenamiento térmico, Bomba de calor, Biltegiratze termikoa, Bero ponpa, Energy storage, Heat pump

Department

Faculty/School

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación / Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola Teknikoa

Degree

Máster Universitario en Ingeniería Industrial por la Universidad Pública de Navarra, Nafarroako Unibertsitate Publikoko Unibertsitate Masterra Industria Ingeniaritzan

Doctorate program

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