Cold thermal energy storage (CTES) for LNG energy systems

Abstract

La demanda global en refrigeració en aplicacions residencials, comercials i industrials representa avui en dia una porció considerable de l’energia final consumida i del CO₂ emès. Tot i així, algunes fonts de fred d’alt grau, com el fred que s’allibera durant el procés de regasificació del gas natural liquat (GNL), és enviat a l’atmosfera sense treure’n cap profit. Aquesta tesi doctoral està enfocada en l’estudi i desenvolupament de tecnologies d’emmagatzemament de fred (CTES, per les sigles en anglès) aplicades a la regasificació de GNL. A través d’una exhaustiva revisió de la literatura publicada fins al moment en aquest camp, s’ha identificat una manca de comprensió en el procés de disseny i construcció d’unitats per CTES, així com tècniques adequades per millorar el coeficient de transferència de calor i d’algun tipus d’eina d’anàlisi quantitatiu respecte a la possible contribució dels sistemes CTES en estacions regasificadores de GNL. En conseqüència, aquesta tesi consta de 3 parts principals: 1) desenvolupament d’un metode comprensiu de disseny de sistemes CTES; 2) aplicació d’aquest mètode de disseny a un sistema de regasificació de GNL; 3) desenvolupament d’una tècnica de millora del coeficient de transferència de calor en sistemes CTES. Mitjançant la integració de mètodes multi-criteri de millora del material i amb una eficient optimització de la geometria del prototip, el nou mètode de disseny ha demostrat ser ràpid i fiable pel disseny preliminar de sistemes CTES basats en el concepte d’intercanviador de carcassa i tubs. Aquest mètode ha permès dissenyar un sistema integrat basat en un cicle orgànic de Rankine (ORC) que extreu la calor d’una font geotèrmica d’una explotació petroliera abandonada, i el fred d’una estació-satèl·lit de GNL. Un cop equipat amb el sistema CTES, l'ORC incrementa la seva eficiència en més d’un 30% i la capacitat de producció en un 25%. Per a la millora del coeficient de transferència de calor s’ha dissenyat un sistema que utilitza làmines de grafit. Per a mesurar la conductivitat efectiva del sistema s’ha desenvolupat un mètode ràpid i precís, basat en optimització numèrica, experimental i Bayesiana, els resultats del qual han demostrat que les làmines de grafit incrementen la conductivitat tèrmica efectiva en un 20% i redueixen l’efecte del subcooling.

La demanda global en refrigeración en aplicaciones residenciales, comerciales y industriales representa hoy en dia una parte considerable de la energía final consumida y de las emisiones de CO2. Aún así, algunas fuentes de frío de alto grado, como el frío que se libera durante la regasificación del gas natural licuado (GNL), es enviado a la atmósfera sin ser usado. Esta tesis doctoral está enfocada en el estudio y desarrollo de tecnologías de almacenamiento de frio (CTES, por sus siglas en ingles) aplicadas a la regasificación del GNL. A través de una exhaustiva revisión de la literatura publicada hasta el momento, se ha identificado una falta de comprensión en el proceso de diseño y construcción de unidades para CTES, asi como técnicas adecuadas para mejorar el coeficiente de transferencia de calor, y de algún tipo de herramienta de análisis cuantitativo respecto a la posible contribución de los sistemas CTES en estaciones regasificadoras de GNL. En consecuencia, esta tesis consta de 3 partes: 1) desarrollo de un método comprensivo de diseño de sistemas CTES; 2) aplicación de este método de diseño a un sistema de regasificación de GNL; 3) desarrollo de una técnica de mejora del coeficiente de transferencia de calor en sistemas CTES. A través de la integración de métodos multi-criterio de mejora del material, y mediante una eficiente optimización de la geometría del prototipo, este nuevo método ha demostrado ser rápido y fiable en el diseño preliminar de sistemas CTES basados en el concepto de intercambiador de carcasa y tubos. Este método ha permitido diseñar un sistema integrado basado en un ciclo orgánico de Rankine (ORC) que extrae el calor de una fuente geotérmica de una explotación petrolera abandonada, y el frío de una estación satélite de GNL. Una vez equipado con el sistema CTES, el ORC incrementa su eficiencia en más de un 30% y en un 25% la capacidad de producción. Para la mejora del coeficiente de transferencia de calor se ha diseñado un sistema que utiliza láminas de grafito. Para la medida de la conductividad térmica efectiva del sistema se ha desarrollado un método rápido y preciso, basado en optimización numérica, experimental y Bayesiana, los resultados de la cual han demostrado que las laminas de grafito incrementan la conductividad térmica efectiva en un 20% mientras reducen el efecto del subcooling.

The global demand for cold energy for residential, commercial, and industrial applications accounts for a considerable portion of final energy consumption and carbon emissions. However, some high-grade cold energy sources, such as the cold energy released during the regasification process of liquefied natural gas (LNG), are generally wasted. This thesis focuses on developing cold thermal energy storage (CTES) technologies for LNG energy systems. Through a comprehensive literature review, we identified the lack of comprehensively designed and built CTES units for LNG cold energy utilization, proper heat transfer enhancement techniques, and quantitative analysis of the contribution of CTES in LNG energy systems. Therefore, this thesis mainly contains three parts: 1) the development of a comprehensive CTES design method, 2) application of the design method in the designing of an LNG energy system, and 3) development of a heat transfer enhancement technique for CTES units. These investigations make use of experimental, numerical, and optimization methodologies. By integrating multi-criteria material assessment with efficient geometry optimization, the design method was shown to be fast and reliable for the preliminary design of latent heat shell-and-tube CTES units. Using the design method, we designed an integrated organic Rankine cycle (ORC) system that uses the low-grade geothermal energy from an abandoned exploitation well and the waste cold energy from a satellite LNG station. When equipped with the CTES, the ORC efficiency and net power production rose by more than 30% and 25%, respectively. A graphite sheet-based macrofiller was designed to enhance the heat transfer. To measure its effective thermal conductivity (keff), a numerical, experimental, and Bayesian optimization-based method was developed. The method was proved to be fast and accurate, and the macrofiller design increased the keff by around 20% and suppressed subcooling.