L'intervento conclusivo di Giorgio Cau durante il seminario "Sistemi innovativi per lo stoccaggio e la generazione di energia", che si è svolto a Cagliari il 20 novembre 2015. L'evento è stato organizzato dal Laboratorio Tecnologie solari a Concentrazione e Idrogeno da FER, nell'ambito del Progetto Cluster Energie rinnovabili di Sardegna Ricerche.

1. REPUBBLICA ITALIANA
Cagliari, 20 novembre 2015
Laboratori del DIMCM per lo studio
e la sperimentazione di sistemi di
accumulo dell’energia termica
Prof. Ing. Giorgio Cau
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali
Università di Cagliari

2.  Sistemi a calore sensibile (“Sistemi a termoclino”)
 Sistemi a calore latente (Sistemi a “PCM”, Phase Change Materials)
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

3. Calore sensibile – “Sistemi a termoclino”
 Sistemi di accumulo a termoclino in letti di materiale solido impaccato con
fluidi termovettori (HTF) gassosi
 Studi sperimentali e numerici sulla formazione del termoclino e sulle
prestazioni dei sistemi di accumulo termico
 Valutazione delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica
 Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi di
carica/scarica
 Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

4.  Impianto a circuito aperto con aria come HTF
 Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

5. Impianto a circuito aperto con aria come HTF
 Altezza e diametro del letto di materiale solido: 1.8 – 0.58 m
 Materiale solido: sferette di allumina, diametro 7-9 mm
 Capacità di accumulo: fino a 72 kWh
 Potenza termica (in carica): fino a 70 kW
 Temperatura massima dell’HTF: 300 °C
 Pressione atmosferica
Inverter
PID
̴
400 V
Q
Screw
Compressor
255 – 940 m3/h
Compressor
Control Panel
Heater
Control Panel Electric Heater
70 kW, 25 - 300°C
Insulated
steel tank
TQ PQ
Thermocouples
NI cDAQ
TD
TC
V1
V3
V2
Vent
Vent
PB
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

6. Sferette di allumina sinterizzata
Diametro:7-9 mm
Diametro interno del serbatoio: 0.58 m
Altezza del letto: fino a 1.8 m
“Rack” termocoppie
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

7. Sono stati svolti studi sperimentali per indagare sull’influenza delle caratteristiche operative e
costruttive (portata massica di HTF, temperatura dell’HTF, “aspect ratio” del letto, ecc.) sulla
formazione del termoclino e sul comportamento del TES nel caso di cicli ripetuti di carica/scarica.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
x/L

1/3 t
ch
2/3 t
ch
3/3 t
ch
3/3 t
disch
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1

r/R
1/3 t
ch
2/3 t
ch
3/3 t
ch
3/3 t
disch
minmax
min
TT
TT



External
Wall
r/Rx/L
θ
θ
Charge
Discharge
BottomTop
Dimensionless temperature
Indicative of
the Useful
Energy
T=Tmin  θ = 0
T=Tmax  θ = 1
1/3
2/3 3/3
3/3
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

8. Gli studi sperimentali hanno evidenziato l’influenza della parete esterna del serbatoio sulla
distribuzione radiale di temperatura che incide sulla quantità di energia che può essere accumulata.
Questo aspetto è stato analizzato mediante modelli CFD 2-D and 3-D per una migliore previsione
del campo di temperatura del sistema e della sua evoluzione durante le fasi di carica/scarica.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fig. 4 Contour plots of tank temperature at interval of 1/5 of the overall time of charge
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

9. Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
 Altezza e diametro del letto: 0.9 – 0.30 m
 Materiale solido: sferette di allumina, diametro 1.5-2.5 mm
 Capacità di accumulo: fino a 5 kWh
 Potenza termica (in carica): fino a 6 kW
 Temperatura massima dell’HTF: 150 °C
 Pressione massima dell’HTF: 5 bar
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

10. Diametro sferette:
1.5-2.5 mm  7-9 mm Compressore CO2
Diametro interno serbatoio: 0.30 m
Altezza del letto: fino a 0.90 m
Impianto a circuito chiuso con CO2 come HTF
IMPIANTI DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI
A TEMOCLINO CON FLUIDI TERMOVETTORI GASSOSI

11. Calore Latente – Sistemi con materiali a cambiamento di fase (PCM)
 Scelta dei materiali (campo di temperatura di interesse, caratteristiche di fusione e solidificazione,
cicli termici, compatibilità con altri materiali, vita utile, etc.)
 Sviluppo di sistemi di accumulo, attrezzature e dispositivi (analisi numerica, indagini sperimentali,
modelli di simulazione)
 Valutazione del decadimento delle prestazioni durante cicli ripetuti di carica e scarica
 Identificazione dei criteri ottimali di gestione e controllo dei processi in funzione del tipo di PCM e
dell’applicazione
 Ottimizzazione delle prestazioni mediante tecniche di miglioramento dello scambio termico
 Valutazione sperimentale delle prestazioni di prototipi
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

12. Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”
 Capacità di accumulo: ≈ 6 kWh
 Temperatura di carica dell’HTF: 200 °C
 Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C
 PCM: Hydrochinone
 Massa di PCM: 104 kg
 Superficie di scambio termico: 2.49 m2
 Lunghezza: 2.44 m
 Diametro: 0.254 m
 Numero di tubi: 17
Processo di carica Processo di scarica
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

13. Sistema di accumulo a PCM – configurazione a “tubi e mantello”
Capacità di accumulo: ≈ 3 kWh
Temperatura di carica dell’HTF : 180 °C
Temperatura a fine scarica dell’HTF: 100 °C
PCM : Mannitol
Massa di PCM:
Caso 1: 23.4 kg
Caso 2: 23.4 kg
Caso 3: 22.8 kg
Superficie di scambio termico :
Caso 1: 0.077 m2
Caso 2: 0.568 m2
Caso 3: 0.730 m2
Case 1 Case 2 Case 3
 Caso 1 – Doppio tubo
 Caso 2 – Scambiatore “triplex”
 Caso 3 – “triplex” con alette circolari
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

14.  Caso 1 – Doppio tubo
 Caso 2 – Scambiatore “triplex”
 Caso 3 – “triplex” con alette circolari
Charge process Discharge process
Profili di temperatura
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

15. Case 3Case 2Case 1
Evoluzione delle fasi – Processo di scarica
Zona rossa: PCM solido
Zona blu: PCM liquido
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

16. Evoluzione delle fasi – Processo di carica
Zona rossa: PCM solido
Zona blu: PCM liquido
Case 1 Case 2 Case 3
RICERCHE SULL’ACCUMULO DELL’ENERGIA TERMICA (TES) AL DIMCM

17.  Potenza elettrica in carica (EH): fino a 40 kW
 Potenza termica in scarica (CHE): 170 kW
 Capacità di accumulo dei PCM-TES: fino a 300 kWh
 Temperatura massima dell’HTF: fino a 350 °C
IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO
TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

18.  Prototipo di accumulatore a PCM del tipo a “tubi e mantello”
 Temperatura di fusione: 167 °C
 Capacità di accumulo: 5.7 kWh
IMPIANTO DI PROVA PER LA SPERIMENTAZIONE DI SISTEMI DI ACCUMULO
TERMICO A PCM E DI ALTRI SISTEMI DI ACCUMULO DIRETTO E INDIRETTO

19. Modellazione, progetto, simulazione, previsione delle prestazioni e
ottimizzazione di:
 Collettori solari e campi solari a concentrazione
 Impianti motori a vapore per applicazioni CSP
 Impianti motori a fluido organico (ORC) per applicazioni CSP
 Integrazione di impianti CSP e impianti a combustibili fossili (incluse le CCS)
 Accumulo dell’energia termica
 Supporto tecnico-scientifico al progetto degli impianti CSP sperimentali nelle aree
industriali di Ottana, Villacidro e Tortolì (campo solare, motore termico e sistema
di accumulo termico)
 Supporto tecnico-scientifico alla sperimentazione e alla gestione dell’impianto CSP
di Ottana
ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)

20. Impianto sperimentale di Ottana
 Superficie di raccolta: 8.400 m2
 Potenza termica del campo solare: 4.690 kWt
 Accumulo termico: 14.7 MWh (2 serbatoi C/F)
 Potenza del motore ORC: 600 kWe
 Potenza del CPV: 400 kWe
 Accumulo elettrico: batterie SoNick, 430 kWh
ATTIVITÀ DI RICERCA SUGLI IMPIANTI SOLARI A CONCENTRAZIONE (CSP)