Heat-to-power conversion from variable surplus heat sources utilizing a thermal energy storage

Målet med dette arbeidet var å undersøke den potensielle nytten av termisk buffring i et varmegjennvinningssystem. Arbeidet undersøkte muligheten for å integrere en form for termisk lagring inn i et varmegjennvinningssystem for å bedre håndtere varmekilder som er veldig variable. Et termisk lager kan gjøre det mulig å separere varmeforsyning og etterspørsel, noe som betyr at lageret kan brukes til å buffre overflødig varme i perioder med høy varmeeffekt fra en varmekilde som kan leveres senere når varmeproduksjonen fra varmekilden er lavere. Dette kan potensielt være fordelaktig ved varmegjenvinning fra en variabel varmekilde, der variasjonene i varme ellers ville vært utfordrende for elektrisk kraftkonvertering. Ved å integrere et termisk lager inn i et gjenvinningsanlegg for avfallsvarme kan slike varmekilder bli mindre utfordrende ved bruk til elektriske konverteringbruk. Et termisk lager kan gjøre det enklere å utnytte slike variable varmekilder. Potensialet for energigjenvinning fra en variabel varmekilde ble undersøkt ved hjelp av en casestudie. Casekonfigurasjonen og parameterne var basert på data og beskrivelse av en eksisterende størkningsprosess ved Elkem Salten, hvor store mengder varme må fjernes mens silisium kjøles ned fra 1450°C til 25°C. Varmen som frigis fra silisiumet under kjølingen er svært variabel, noe som gjør at denne casen passer til dette masterarbeidet. Varmen frigitt fra silisiumet vil minke i løpet av støpingen mens silisiumet blir kaldere. Et varmegjenvinningssystem ble forslått for å gjenvinne denne varmen. Systemet bestod av en strålingsvarmeveksler (WHRU) for å fange silisiumvarmen, et termisk lager og en Rankine-syklus. En lukket sløyfe med et sirkulerende varmeoverføringsfluid vil overføre varmen mellom komponentene. En dynamisk modell av varmegjenvinningssystemet ble utviklet ved hjelp av en dynamisk modellformulering i programmeringsspråket Modelica. Et litteraturstudie ble utført for å få innblikk i strålingsvarmevekslere, noe som var nyttig for å foreslå og modellere en WHRU. Det termiske lageret bestod av en rekke parallelle rør bygd inn i et betongvolum, hvor varme lagres ved at betongen blir varmet av fluidet i rørene. Lageret ble valgt grunnet hvor ukomplisert styringen av lageret vil være, og grunnet de lave kostnadene til betong. Rankine-syklusen ble ikke ordentlig modellert i et forsøk på å begrense omfanget av masterarbeidet. Potensialet for elektrisk kraftproduksjon ble istedenfor estimert fra eksergien i varmen som ble overført til Rankine-syklusen fra varmegjennvinningssystemet. Den ferdige modellen ble brukt til å undersøke potensialet til det foreslåtte systemet, finne et passende systemdesign og undersøke hvordan systemdesignet ville påvirke varmegjenvinning og størkningsprosessen til silisiumet. Effektiviteten av forskjellige kontrollsystemer ble undersøkt, og en enkel økonomisk evaluering av det foreslåtte systemet ble gjennomført. Resultatene viste at integrasjonen av et energilager ville hjelpe med å sikre mer stabile driftsforhold for Rankine-syklusen. Et veldesignet system vil redusere variasjonene i varmeforsyning og temperaturer hos Rankine-syklusen med over 85%, som betyr at lageret klart forbedret driftsbetingelsene til Rankine-syklusen. Systemet ville produsere opp mot 796 kWh elektrisk energi per støkningsperiode. Dette tilsvarer 0.68% av den elektriske energien som kreves under produksjonen av silisiumet. Det ble fastslått at den foreslåtte varmegjennvinningsenheten vil påvirke størkningsprosessen, noe som ikke burde skje, da det vil påvirke kvaliteten til silisiumproduktet. Riktig utforming av varmegjennvinningssystemet, og da spesielt riktig valg av støpeformsdimensjoner vil være avgjørende for å sikre riktige støpebetingelser og størkningstider. Det forslåtte systemet har potensiale, både siden det demonstrerte muligheten for å gjenvinne størkningsvarmen til silisium, men også fordi det termiske lageret var et effektivt virkemiddel for å redusere sykliske variasjoner i driftsbetingelsene til Rankine-syklusen