Thermal energy storage solutions for building applications

Abstract

El canvi climàtic constitueix un dels reptes més importants per a les generacions actuals i futures. El Grup Intergovernamental d'Experts sobre el Canvi Climàtic (IPCC) estima que les activitats humanes han estat responsables aproximadament de 1.0 ºC d'escalfament global per sobre dels nivells preindustrials, portant grans impactes negatius. En aquest context, l'IPCC ha fixat l'objectiu de limitar l'escalfament global a 1.5 ºC per al 2050; per sobre d'aquest valor, els danys serien irreversibles. Les emissions de gasos amb efecte d'hivernacle (GHG) són els principals impulsors del canvi climàtic. El període 2010-2019 va donar els seus valors més alts de la història. Durant aquest període, el sector dels edificis va aportar el 21% de les emissions mundials de GHG. Aquestes dades van impulsar aquesta tesi, emmarcada en l’estudi dels sistemes que componen les emissions de GHG en edificis, així com el desenvolupament de les tecnologies que permetin mitigar-les. La primera secció analitza, mitjançant tècniques d’anàlisi bibliomètrica, els principals sistemes que componen la demanda energètica dels edificis. Per això, es van estudiar els serveis dels edificis i el seu impacte sobre el canvi climàtic. A més, es van estudiar els electrodomèstics i les seues tendències en eficiència energètica, correlacionades amb les polítiques implementades a nivell global. Així mateix, es van estudiar els co-beneficis de l'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) extrapolats des del camp de les energies renovables, identificant el TES com a transcendental en la transició energètica. La segona secció de la tesi es va embrancar en l’anàlisi experimental i mitjançant simulacions de tres sistemes d’emmagatzematge tèrmic. El primer sistema es va enfocar a disminuir les pèrdues tèrmiques d’un dipòsit d’emmagatzematge per a calefacció mitjançant l’ús d’aïllament al buit. Es va demostrar que aquest aïllament pot disminuir fins a 10 vegades les pèrdues tèrmiques respecte al convencional. El segon estudi va realitzar una avaluació comparativa entre dos dissenys de materials de canvi de fase (PCM) macro-encapsulats en un TES. Es va concloure que el disseny a utilitzar dependrà de l'aplicació i d’un compromís entre més densitat energètica o més entrega de calor. El tercer estudi va identificar els principals reptes en la utilització del concret per emmagatzemar energia a alta temperatura, alhora que es va proposar i analitzar un nou disseny per superar aquests reptes. Els resultats d’aquesta tesi han demostrat que l’emmagatzematge d’energia tèrmica té un gran potencial en la transició energètica de manera general i dels edificis de manera particular.

El cambio climático constituye uno de los retos más importantes para las actuales y futuras generaciones. El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) estima que las actividades humanas han sido responsables aproximadamente de 1,0 ºC de calentamiento global por encima de los niveles preindustriales, trayendo consigo grandes impactos negativos. En este contexto, el IPCC ha fijado el objetivo de limitar el calentamiento global en 1.5 ºC para el 2050; por encima de este valor los daños serían irreversibles. Las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG) son los principales impulsores del cambio climático. El período 2010-2019 arrojó sus valores más altos de la historia. Durante este período, el sector de los edificios aportó el 21% de las emisiones mundiales de GHG. Tales datos impulsaron esta tesis, enmarcada en el estudio de los sistemas que componen las emisiones de GHG en edificios, así como el desarrollo de las tecnologías que permitan mitigarlas. La primera sección analiza, mediante técnicas de análisis bibliométricos, los principales sistemas que componen la demanda energética de los edificios. Para esto, se estudiaron los servicios de los edificios y su impacto sobre el cambio climático. Así como, los electrodomésticos y sus tendencias en eficiencia energética, correlacionadas con las políticas implementadas a nivel global. Al igual que, los co-beneficios del almacenamiento de energía térmica (TES) extrapolados desde el campo de las energías renovables, identificando al TES como trascendental en la transición energética. La segunda sección de la tesis se centró en el análisis experimental y mediante simulaciones de tres sistemas de almacenamiento térmico. El primer sistema se enfocó en disminuir las pérdidas térmicas de un depósito de almacenamiento para calefacción mediante el uso de aislamiento al vacío. Se demostró que este aislamiento puede disminuir hasta en 10 veces las pérdidas térmicas con respecto al convencional. El segundo estudio realizó una evaluación comparativa entre dos diseños de materiales de cambio de fase (PCM) macro-encapsulados en un TES. Se concluyó que el diseño a utilizar dependerá de la aplicación y de un compromiso entre mayor densidad energética o mayor entrega de calor. El tercer estudio identificó los principales retos en la utilización del hormigón para almacenar energía a alta temperatura, a la vez que se propuso y analizó un nuevo diseño para superar dichos retos. Los resultados de esta tesis han demostrado que el almacenamiento de energía térmica tiene un gran potencial en la transición energética de manera general y de los edificios de manera particular.

Climate change is one of the most important challenges for current and future generations. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) estimates that human activities are responsible for approximately 1.0 °C of global warming above pre-industrial levels, resulting in major negative impacts. In this context, the IPCC has set a target of limiting global warming to 1.5 °C by 2050, above which the damage will become irreversible. Greenhouse gas (GHG) emissions are the main drivers of climate change. The period 2010-2019 showed their highest values in history. During this period, the buildings sector accounted for 21% of global GHG emissions. Such data motivated this thesis, framed in the study of the systems that comprise GHG emissions in buildings, as well as the development of technologies to mitigate them. The first section analyses, using bibliometric analysis techniques, the main systems that drive the energy demand of buildings. Therefore, building services and their impact on climate change were studied. In addition, household appliances and their trends in energy efficiency, correlated with the policies implemented at global level, were also studied. Likewise, the co-benefits of thermal energy storage (TES) extrapolated from the field of renewable energies were also studied, identifying TES as transcendental in the energy transition. The second section of the thesis focused on the experimental and simulation analysis of three thermal energy storage systems. The first system focused on decreasing the thermal losses of a heating storage tank by using vacuum insulation. It was found that vacuum insulation can reduce thermal losses by up to 10 times compared to conventional insulation. The second study performed a benchmark evaluation between two designs of phase change material (PCM) macro-encapsulation in a TES. It was concluded that the design to be used will be determined by the application and a trade-off between higher energy density or higher heat transfer. The third study identified the main challenges in using concrete to store energy at high temperature, and a new design was proposed and analysed to overcome these challenges. The results of this thesis have demonstrated that thermal energy storage represents a great potential in the energy transition in general and in buildings in particular.