Optimal Selection, Characterization, and Life Cycle Assessment of Sustainable Materials for Thermal Energy Storage in Concentrating Solar Power: A Circular Economy Approach

dc.contributor
Universitat de Barcelona. Departament de Ciència dels Materials i Química Física
dc.contributor.author
Majó Robles, Marc
dc.date.accessioned
2024-07-16T09:34:11Z
dc.date.issued
2024-07-02
dc.identifier.uri
http://hdl.handle.net/10803/691784
dc.description
Programa de Doctorat en Enginyeria i Ciències Aplicades
ca
dc.description.abstract
[eng] The world's energy dilemma, balancing supply and demand, finds a potential solution in energy storage technologies. Energy storage systems store excess energy during low-demand periods for later use. This approach enhances grid stability, integrates renewable sources like solar and wind power cost-effectively, and reduces reliance on fossil fuel-based thermal power plants, thus lowering greenhouse gas emissions. One prominent and cost-effective technology is Thermal Energy Storage (TES) systems integrated into Concentrated Solar Power (CSP) plants. These plants utilize molten salts both as TES material and Heat Transfer Fluid (HTF). By storing solar heat and then generating electricity through a heat exchanger, it is possible to enable continuous electricity production, mitigating the "duck effect." To advance this technology and increase its competitiveness, the use of sustainable low-cost materials has been proposed to work as TES material in solar tower configurations, aiming to achieve a higher operating temperature. This translates into higher efficiency in converting heat to electricity, lower cost and environmental impact, and better compatibility with the structure. The main objective of this thesis is to provide a proven alternative material for the TES tanks in the next generation of CSP plants. With a selection of sustainable materials, testing and characterization of their properties and stability, and an environmental evaluation and comparison with conventional technology through a newly proposed Summary methodology to complete a Life Cycle Assessment (LCA) of alternative materials, a comprehensive evaluation of several sustainable materials from different origins will be completed. Two concepts will be evaluated throughout the thesis work: one involves the integration of sustainable materials with conventional technology to enhance stability and reduce compatibility issues, while the other presents insight into the new strategy of using solid particle materials for TES without molten salts. Additionally, several challenges faced during the testing of the materials have led the study to the need for a specific device to conduct thermal cycles with controlled heating and cooling ramps. This is addressed in the last chapter of the thesis, where a self-developed device capable of automatically completing thermal cycles of materials is presented. Throughout all tests and characterizations, a complete validation of alternative sustainable materials from different origins has been assessed and presented as candidates for TES applications in various technologies. The incorporation of these materials will help increase competitiveness by reducing the environmental impact and cost of electricity production.
ca
dc.description.abstract
[cat] El dilema energètic mundial d’equilibrar l’oferta i la demanda d’electricitat troba una solució en les tecnologies d’emmagatzematge d’energia. Aquests sistemes retenen l’excés d’energia durant els períodes de baixa demanda per al seu ús posterior, millorant l’estabilitat de la xarxa i facilitant la integració de fonts renovables, disminuint així les emissions de gasos d’efecte hivernacle. Una tecnologia destacada són els sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica (TES) integrats en plantes d’energia termosolar de concentració (CSP). Aquestes plantes utilitzen sals foses com a material de TES o fluid de transferència de calor (HTF). Amb l’emmagatzematge de calor solar i la generació d’electricitat a través d’un intercanviador de calor, es pot produir electricitat contínuament, mitigant “l’efecte ànec”. Per millorar aquesta tecnologia, s’ha proposat l’ús de materials sostenibles de baix cost per a TES en configuracions de torres solars, buscant una temperatura d’operació més alta. Això implica una major eficiència en la conversió de calor a electricitat, un menor cost i impacte ambiental, i una millor compatibilitat amb l’estructura. L’objectiu principal d’aquesta tesi és proporcionar un material alternatiu provat per als tancs de TES en la pròxima generació de plantes CSP. Mitjançant la selecció de materials sostenibles, la caracterització de les seves propietats i estabilitat, i una avaluació ambiental incorporant noves metodologies d’avaluació d’anàlisi de cicle de vida (LCA), es Resum completarà una avaluació integral de diversos materials sostenibles de diferents orígens. Dos conceptes seran avaluats: la integració de materials sostenibles amb tecnologia convencional per millorar l’estabilitat i reduir problemes de compatibilitat, i la nova estratègia d’utilitzar materials de partícules sòlides per a TES sense sals foses. A més, diversos reptes trobats durant les proves dels materials han portat a estudiar la necessitat d’un dispositiu específic per dur a terme cicles tèrmics amb rampes d’escalfament i refredament controlades. Això s'aborda en l'últim capítol de la tesi, on es presenta un dispositiu auto-desenvolupat capaç de completar automàticament cicles tèrmics de materials. Al llarg de les proves, s’han validat materials sostenibles alternatius com a candidats per a aplicacions de TES. La incorporació d'aquests materials augmentarà la competitivitat d’aquestes fonts d’energia, reduint l’impacte ambiental i el cost de producció d’electricitat.
ca
dc.format.extent
242 p.
ca
dc.language.iso
eng
ca
dc.publisher
Universitat de Barcelona
dc.rights.license
ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs.
ca
dc.source
TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)
dc.subject
Ciència dels materials
ca
dc.subject
Ciencia de los materiales
ca
dc.subject
Materials science
ca
dc.subject
Desenvolupament sostenible
ca
dc.subject
Desarrollo sostenible
ca
dc.subject
Sustainable development
ca
dc.subject
Energia tèrmica solar
ca
dc.subject
Energía térmica solar
ca
dc.subject
Solar thermal energy
ca
dc.subject
Emmagatzematge d'energia
ca
dc.subject
Almacenamiento de energía
ca
dc.subject
Storage of energy
ca
dc.subject.other
Ciències Experimentals i Matemàtiques
ca
dc.title
Optimal Selection, Characterization, and Life Cycle Assessment of Sustainable Materials for Thermal Energy Storage in Concentrating Solar Power: A Circular Economy Approach
ca
dc.type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
dc.type
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.subject.udc
62
ca
dc.contributor.director
Barreneche Guerisoli, Camila
dc.contributor.director
Calderón Díaz, Alejandro
dc.contributor.tutor
Barreneche Guerisoli, Camila
dc.embargo.terms
12 mesos
ca
dc.date.embargoEnd
2025-07-02T02:00:00Z
dc.rights.accessLevel
info:eu-repo/semantics/embargoedAccess


Documents

Aquest document conté fitxers embargats fins el dia 02-07-2025

Aquest element apareix en la col·lecció o col·leccions següent(s)