Development of Thermal Energy Storage for Increasing Renewables Penetration at Building and District levels

Abstract

El Fòrum Econòmic Mundial estima al seu informe del 2023 sobre la probabilitat i l'impacte dels riscos globals que en els propers deu anys, sis de cada deu riscos globals estan associats amb el medi ambient. Per abordar els reptes que planteja el canvi climàtic i assolir els objectius de desenvolupament sostenible del Programa de les Nacions Unides per al Desenvolupament (PNUD), la comunitat global ha intensificat els seus esforços cap al desenvolupament sostenible. Una de les estratègies clau és augmentar la participació dels recursos d’energia renovable (RES) en la combinació energètica. La transició cap a les RES presenta tant oportunitats com desafiaments, particularment a l'àmbit de la naturalesa intermitent de les RES i la gestió de l'energia tèrmica per a edificis i districtes. La motivació per a aquest estudi científic deriva dels fets esmentats anteriorment i la tesi s'emmarca per analitzar el paper de l'emmagatzematge d'energia tèrmica i les bombes de calor en l'augment de la participació de les RES a nivell d'edificis i districtes. La primera secció de la tesi empra una tècnica d'anàlisi bibliomètrica per identificar tendències, patrons i bretxes de recerca en la integració de tècniques bombes de calor i l'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) al sistema energètic actual. L'anàlisi també proporciona informació sobre les polítiques energètiques dels països amb més producció de recerca en aquest camp, juntament amb els reptes que planteja l'ampli desplegament de tècniques bombes de calor i TES. Aquesta secció també proporciona una revisió exhaustiva de la literatura sobre aquest tema i analitza detalladament el paper d'bombes de calor i TES en el context de l'acoblament sectorial. La segona secció proporciona una anàlisi numèrica i experimental d'bombes de calor de baix potencial d'escalfament global (GWP) acoblat a electricitat i TES per augmentar la participació de les energies renovables a tot Europa. La tercera secció proporciona una avaluació experimental de diferents dissenys d’emmagatzematge PCM per a aplicacions de refrigeració. En abordar aspectes tècnics, econòmics i ambientals, aquesta tesi proporciona una guia valuosa per als formuladors de polítiques, enginyers i parts interessades que s'esforcen per assolir un futur energètic sostenible.

El Foro Económico Mundial estima en su informe de 2023 sobre la probabilidad y el impacto de los riesgos globales que en los próximos diez años, seis de cada diez riesgos globales están asociados con el medio ambiente. Para abordar los desafíos que plantea el cambio climático y alcanzar los objetivos de desarrollo sostenible del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), la comunidad global ha intensificado sus esfuerzos hacia el desarrollo sostenible. Una de las estrategias clave es aumentar la participación de los recursos de energía renovable (RES) en la combinación energética. La transición hacia las RES presenta tanto oportunidades como desafíos, particularmente en el ámbito de la naturaleza intermitente de las RES y la gestión de la energía térmica para edificios y distritos. La motivación para este estudio científico se deriva de los hechos mencionados anteriormente y la tesis se enmarca para analizar el papel del almacenamiento de energía térmica y las bombas de calor en el aumento de la participación de las RES a nivel de edificios y distritos. La primera sección de la tesis emplea una técnica de análisis bibliométrico para identificar tendencias, patrones y brechas de investigación en la integración de técnicas bombas de calor y el almacenamiento de energía térmica (TES) en el sistema energético actual. El análisis también proporciona información sobre las políticas energéticas de los países con mayor producción de investigación en este campo, junto con los desafíos que plantea el amplio despliegue de técnicas bombas de calor y TES. Esta sección también proporciona una revisión exhaustiva de la literatura sobre dicho tema y analiza en detalle el papel de bombas de calor y TES en el contexto del acoplamiento sectorial. La segunda sección proporciona un análisis numérico y experimental de bombas de calor de bajo potencial de calentamiento global (GWP) acoplado a electricidad y TES para aumentar la participación de las energías renovables en toda Europa. La tercera sección proporciona una evaluación experimental de diferentes diseños de almacenamiento PCM para aplicaciones de refrigeración. Al abordar aspectos técnicos, económicos y ambientales, esta tesis proporciona una guía valiosa para los formuladores de políticas, ingenieros y partes interesadas que se esfuerzan por lograr un futuro energético sostenible.

World Economic Forum estimates in its 2023 report on likelihood and impact of global risks that in next ten years, six of ten global risks are associated with environment. To address challenges posed by climate change and to achieve sustainable development goals by United Nations Development Programme's (UNDP), global community has intensified its efforts towards sustainable development. One of the key strategies is to increase renewable energy resources’ (RES) share in energy mix. The transition towards RES presents both opportunities and challenges, particularly in the realm of intermittent nature of RES and thermal energy management for buildings and districts. The motivation for this scientific study is derived from above mentioned facts and thesis is framed to analyse role of thermal energy storage and heat pumps in increasing RES share at building and district level. The first section of thesis employs bibliometric analysis technique to identify trends, patterns, and research gaps in the integration of heat pumps and thermal energy storage (TES) techniques in current energy system. The analysis also provides insights into energy policies of countries with highest research output in this field along with challenges posed in wide deployment of heat pumps and TES techniques. This section also provides a thorough literature review on the said topic and discusses role of heat pumps and TES in detail in context of sector coupling. The second section provides a numerical and experimental analysis of low global warming potential (GWP) heat pumps coupled to electrical and TES to increase share of renewables across Europe. Third section provides experimental evaluation of different designs for PCM storages for cooling applications. By addressing technical, economic, and environmental aspects, this thesis provides valuable guidance for policymakers, engineers, and stakeholders striving towards a sustainable energy future.