MODELLAZIONE DI UN INNOVATIVO SISTEMA DI THERMAL ENERGY STORAGE PER APPLICAZIONI DI ENERGIA RINNOVABILE

Il presente lavoro di tesi si propone di progettare e analizzare un innovativo sistema di energy storage, in grado di immagazzinare energia proveniente sia da fonti rinnovabili sia da flussi di calore di scarto industriale. Il sistema si basa sull’integrazione di una pompa di calore ad alta temperatura (High Temperature Heat Pump), di un sistema di accumulo termico (Thermal Energy Storage) costituito da polietilene ad alta densità (High Density Polyethylene), ovvero un materiale plastico a cambiamento di fase (Phase Change Material), e di un impianto di generazione basato su ciclo Rankine organico (Organic Rankine Cycle). Il progetto mira a sfruttare l'energia elettrica in eccesso prodotta da un impianto fotovoltaico per alimentare una pompa di calore ad alta temperatura, capace di valorizzare flussi di calore di scarto a bassa temperatura tipici dei processi industriali. Durante le ore diurne, l'energia termica così ottenuta viene accumulata all’interno del sistema di thermal energy storage a PCM; successivamente, nelle ore notturne, tale energia viene rilasciata per alimentare un impianto ORC, consentendo la produzione di energia elettrica anche in assenza di generazione fotovoltaica. Il codice di modellazione è stato implementato in ambiente Microsoft Excel mediante la realizzazione di tre fogli di calcolo distinti, denominati “DAY MODE”, “NIGHT MODE” e “DIMENSIONAMENTO PCM”, tra loro interconnessi in maniera parametrica, al fine di valutare i principali parametri prestazionali dei singoli componenti e l’efficienza complessiva del sistema di accumulo. Il modello così sviluppato è stato inoltre applicato a due differenti configurazioni impiantistiche, consentendo un’analisi comparativa delle prestazioni energetiche e una valutazione del rendimento del TES in diversi contesti operativi. La strategia di modellazione numerica prevede che le equazioni di governo relative alle modalità diurna e notturna vengano risolte mediante l’utilizzo della libreria termodinamica CoolProp, ovvero un database contenente tutte le proprietà termofisiche sia del fluido frigorigeno operante nel ciclo HTHP sia del fluido organico impiegato nel ciclo ORC. In particolare, i fogli ‘’DAY MODE’’ e ‘’NIGHT MODE’’ sono stati sviluppati per descrivere il funzionamento complessivo dell’impianto nelle diverse condizioni operative e verificare il bilancio dei flussi energetici nelle fasi di carica e scarica del sistema di accumulo; il foglio ‘’DIMENSIONAMENTO PCM’’, invece, include uno script in linguaggio VBA per l’implementazione del metodo di Schumann, finalizzato al dimensionamento dell’energy storage e alla simulazione del comportamento dinamico durante il transitorio di carica dell’accumulo termico. Nel primo capitolo del presente elaborato viene descritto lo stato dell’arte dell’energy storage, analizzandone il ruolo nel contesto energetico attuale. Il secondo capitolo approfondisce le caratteristiche dei sistemi di accumulo termico (TES), classificati in accumulo di calore sensibile, accumulo di calore latente e accumulo termochimico. Il terzo capitolo è dedicato ai materiali a cambiamento di fase (PCM), di cui vengono presentate le diverse tipologie, le principali proprietà e le modalità di utilizzo. Il quarto capitolo illustra le configurazioni impiantistiche considerate e riporta le equazioni utilizzate nella fase di progettazione. Nel quinto capitolo viene presentato il codice di modellazione ottimizzato e implementato in ambiente Microsoft Excel, con l’integrazione della libreria termodinamica CoolProp e del linguaggio di programmazione VBA. Infine, vengono presentati e discussi i risultati della simulazione, con particolare attenzione alle prestazioni dei principali componenti dell’impianto, all'efficienza complessiva del TES nelle due configurazioni, al contributo dei meccanismi di calore sensibile e latente e al tempo necessario per la completa fusione dell'HDPE.