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

Abstract

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.

The goal of this work was to explore the potential benefit of thermal buffering in surplus heat recovery systems. The work examined the possibility to integrate a form of thermal energy storage into a heat recovery system to better handle heat sources of a highly variable nature. A thermal storage will enable a general disconnect between heat supply and demand, meaning the storage can be used to buffer excess heat during periods of high heat output from a heat source, which can be delivered later, once heat output from the heat source is lower. This could potentially be beneficial in heat recovery from a variable waste heat source, where the variations in heat would otherwise prove challenging for electrical power conversion. By integrating a thermal storage in a waste heat recovery system, such heat sources could become less troublesome in electrical power conversion use cases.

The potential for energy recovery from a variable heat source was explored using a case study. The case configuration and parameters were based on data and description of an existing silicon casting process at Elkem Salten, where large amounts of heat has to be removed as silicon is cooled from 1450°C to 25°C. This case fits the requirements of a variable heat source, as heat source temperatures will decline as the silicon is cooled, while the casting process is a batch process, where new, hot silicon is only added for cooling every second hour, meaning the heat released by the cooling silicon will fluctuate a lot during every two-hour period. To recover this heat, a heat recovery system was proposed. The proposed system consisted of a waste heat recovery unit (WHRU), a thermal energy storage and a power cycle, all connected by a closed loop where a heat transfer fluid is circulated.

A dynamic model of the heat recovery system was developed using a dynamic model formulation in the programming language Modelica. A literature study was conducted to gain insight into waste heat recovery units capable of recovering mostly radiative heat, which was helpful when deciding on the WHRU. The thermal storage consisted of a number of parallel heat transfer tubes embedded in a concrete volume, where heat is stored as the concrete is heated. The storage was chosen due to the simplicity of storage operation and the low cost of storage materials. In order to limit the scope of the work, the power cycle was not properly modeled. The potential for electrical power production was instead estimated through the available exergy transferred in the heat from the loop to the power cycle. The model was used to examine the proposed system, find a suitable system design and examine how the system design would affect heat recovery and the casting process itself, especially how the WHRU would affect silicon solidification rates. Some time was spent examining the viability of different control schemes, and an initial economic evaluation of the system was conducted.

The results showed that the integration of an energy storage proved effective at ensuring more stable operating conditions for the power cycle. A well-designed system would reduce the variations in heat and temperature experienced by the power cycle by over 85%, meaning power cycle operating conditions improved tremendously due to the integration of a storage. The system was at most found to produce 796 kWh of electric energy every two hours, which corresponds to 0.68% of the electric energy required in the silicon production process. It was also found that the proposed heat recovery unit could disturb the casting process. This should not happen, as that would impact the quality of the silicon product. Careful design of the heat recovery cycle, and especially the mold depth and surface area, was shown to be vital to ensuring proper casting conditions and solidification times. The system showed potential, both as it demonstrated the possibility to recover silicon casting heat, and because the integration of the storage proved successful at reducing cyclic variations in power cycle operating conditions.