Phase change materials characterization (PCM) and thermochemical materials (TCM) development and characterization towards reactor design for thermal energy storage

Abstract

Un inconvenient de les energies renovables, a part del cost d’inversió inicial el qual està decreixent, és la necessitat de bateries tèrmiques. L’emmagatzematge d’energia tèrmica és fonamental per quadrar la producció i la demanda, i així proporcionar fred o calor (energia tèrmica) als consumidors quan així ho requereixin, independentment de quan ha estat obtinguda. Hi ha diverses maneres de fer-ho, la més comuna és un tanc d’aigua. No obstant, hi ha maneres més compactes i eficients, com ara els materials de canvi de fase (PCM) i els materials termoquímics (TCM). És per això, que l’objectiu de la present tesis és contribuir a la caracterització de PCM des d’un punt de vista de les tècniques d’anàlisi tèrmica, estabilitat fisicoquímica i morfològica, així com investigar experimentalment sobre la ciclabilitat tèrmica dels sucres-alcohols. Pel que fa als materials termoquímics l’objectiu és dur a terme un estat de l’art dels reactors utilitzats, així com aprofundir en els requeriments quan es procedeix a elegir un TCM. A més a més, també és presenten els resultats de tests de corrosió sota diferents atmosferes, simulant els reactors, i nous materials desenvolupats, basats en grafit, per millorar la transferència de calor.

Uno de los inconvenientes de las energías renovables, a parte de la inversión inicial la cual está disminuyendo, es la necesidad de baterías térmicas. El almacenamiento de energía térmica es fundamental para hacer coincidir la producción y la demanda, para así proporcionar energía térmica cuando sea requerida por los inquilinos, independientemente de cuándo ésta ha sido obtenida. Existen diferentes maneras de hacerlo, la más común el agua. No obstante, hay maneras más eficientes y compactas, como los materiales de cambio de fase (PCM) y los materiales termoquímicos (TCM). Es por eso, que el objectivo de la tesi es contribuir a la caracterización de los PCM desde un punto de vista de las técnicas de análisis térmico, estabilidad fisicoquímica y morfológica, así como investigar experimentalmente sobre la ciclabilidad térmica de los azúcares-alcoholes. En relación a los TCM, el objetivo es llevar a cabo un estado del arte de los reactores utilizados, así como profundizar sobre los requerimientos para la elección de un TCM. Asimismo, se presentan resultados de ensayos de corrosión bajo diferentes atmósferas y materiales desarrollados en base a grafito para la mejora de la transferencia de calor.

A resulting drawback of renewable energies use, besides the investment cost which is actually decreasing, is the need of thermal batteries. Thermal energy storage is essential to match production and demand, and therefore to provide heat or cold to the consumers when required independently of when it was obtained. Several ways exist to fulfil this requirement in buildings, the most common one is a water tank. But there are more compact and efficient ways, such as phase change materials (PCM) and thermochemical materials (TCM) storage. These materials need to be properly characterized and their thermophysical properties perfectly known in order to design the most appropriate and optimum system for heating, cooling and domestic hot water applications in dwellings.Therefore, the main objective of this thesis is to contribute on PCM characterization from a material thermal analysis, physicochemical stability and morphological point of view, and experimentally investigate on thermal cycling stability of sugar-alcohols. Then, on TCM side the aim is to provide an overview among TCM available reactors and requirements to choose the suitable storage material. Moreover, corrosion tests under different atmospheres and enhancement of heat transfer by developing graphite based composites are performed and shown in detail in this thesis.