Dynamic Simulation and Optimization of a Carnot Battery using Heat Pump/Organic Rankine Cycles

Abstract

Com a descarbonização do setor energético, será previsível um crescimento no consumo de energia elétrica, a maiora da qual será fornecida por fontes de geração renováveis. Para equilibrar esta variabilidade, será necessário recorrer a sistemas de armazenamento de energia.Neste trabalho, foi feita uma breve revisão dos sistemas atuais com foco nas Baterias de Carnot, cujas características de operação, longa duração de vida e baixa pegada ambiental as tornam competitivas para armazenamento de energia diário; um modelo transiente foi desenvolvido para simular a operação completa de uma Bateria de Carnot que utiliza bombas de calor de compressão de vapor e ciclos orgânicos de Rankine conjuntamente com um armazenamento térmico sensível, foram identificados parâmetros de performance interessantes, e uma otimização foi realizada recorrendo a um equilíbrio entre custos e performance através do teste de 25 configurações de storage spread e pinch point dos permutadores.Concluiu-se que as maiores dispersões de temperatura do armazenamento térmico e os maiores pinch points levam a menores custos, visto que reduzem o tamanho do tanque de água bem como dos permutadores, e a pior performance pois criam gradientes de temperatura desfavoráveis para a bomba de calor e o motor térmico.Uma fronteira de Pareto foi identificada, constituída por 10 configurações que otimizam um critério ou um equilíbrio de dois ou mais critérios, e foram tiradas conclusões quanto à aplicabilidade de cada configuração.

With the efforts to decarbonize the energy sector comes a growing demand of electric energy, most of which is to be supplied by renewable generation in a carbon-neutral future. To balance the variability inherent to most renewable energy sources, some form of energy storage is required. In this work, a short review of current systems is made with a particular focus on Carnot Batteries, whose operating characteristics, long life and low environmental footprint make them competitive for daily energy storage in the scale of a few hours. A transient model was developed in MATLAB to simulate the full operation of a Carnot Battery composed of Vapour Compression Heat Pump and Organic Rankine Cycles in conjunction with a sensible thermal energy storage, key performance parameters were identified, and a Pareto optimization was carried out by balancing costs, performance and other parameters across 25 configurations of storage temperature spread and heat exchanger pinch point.It was concluded that the wider storage spreads and higher pinch points lead to lower costs as they decrease the size of the water tank and the heat exchangers, and also to lower efficiencies as unfavourable temperature gradients are created for the heat pump and heat engine. In the end, a Pareto front was identified, consisting essentially of 10 configurations that were able to either optimize one criterion, or balance of two or more criteria, and conclusions were drawn as to the applicability of each configuration.