Energy optimization of a concentrated solar power plant with thermal storage

Abstract

One of the most relevant problems to solve at a planetary scale is the access to an affordable clean source of energy as CO2 equivalent emissions should be reduced significantly. Some authors aim for a zero emissions target for 2050. Renewable energies will play a leading role in this energy transition, and solar energy with storage is a promising technology exploring a renewable and worldwide available resource. Within the present thesis component development like a new thermal storage thermocline tank design or having latent heat storage capability are technological developments that have been pursued and analyzed on a system perspective basis, focusing on reducing the LCOE value of a commercial STE plant using TRNSYS software. Material research with molten salts mixtures and cement based materials has been performed at lab scale. A fully validation should occur through a 13 partners pan-European H2020 project called NEWSOL which has been developed supported on the laboratory data obtained. Moreover, incorporation of local available material, “modern slag” from an old mine of Alentejo region, was also studied. The material could be used as an aggregate incorporated into calcium aluminate cement (CAC) or as filler. This would help to solve a local environmental complex problem related to soil, air and water pollution due to heavy metals and mining activity in Mina de São Domingos, Southeast of Portugal. The integration of these results underlies a broad energy transition model, a proposal is presented in this thesis, with the aim to foster development towards a sustainable usage of resources and promote clean technologies especially in the energy sector. This model can be locally adapted depending on the pattern of existing industries. The goal is to achieve a smooth transition into a clean tech energy society in line with the target of achieving zero emissions for 2050; Optimização Energética de uma Central de Concentração Solar com Armazenamento de Energia Resumo: Um dos problemas mais relevantes a resolver a uma escala planetária é o acesso, com um custo moderado, a fontes limpas de energia considerando que as emissões equivalentes de CO2 derão ser reduzidas drasticamente. Alguns autores ambicionam mesmo um objetivo de zero emissões em 2050. As energias renováveis irão desempenhar um papel preponderante nesta transição energética, sendo que a energia solar com armazenamento é uma tecnologia promissora que aproveita um recurso renovável e disponível em boa parte do Planeta. Na presente tese foi realizado o desenvolvimento de componentes nomeadamente o design que um novo tanque do tipo termocline, ou de novos elementos recorrendo ao calor latente, desenvolvimentos tecnológicos que foram analizados de uma perspectiva de sistema, dando o enfoque na redução do custo nivelado da electricidade (LCOE) para uma planta Termosolar usando o software TRNSYS. Foi também realizada investigação em laboratório ao nível dos materiais com várias misturas de sais fundidos inclusivé em contacto directo com materiais de base cimenticia. Uma validação completa deverá ocorrer no projeto NEWSOL do programa H2020 que reúne um consórcio de 13 parceiros europeus e que foi preparado e submetido tendo por base os resultados laboratoriais obtidos. Adicionalmente, incorporação de material disponível (escória de minério) de uma mina abandonada da região do Alentejo foi outro dos aspectos estudados. Verificou-se que este material poderá ser utilizado como agregado num ligante do tipo cimento de aluminato de cálcio (CAC) ou como “filler”. Este re-aproveitamento resolveria um problema ambiental complexo derivado do elevado conteúdo de metais pesados resultantes da actividade de mineração e que actualamente provocam poluição do solo, água e ar na área da Mina de São Domingos, Sudeste de Portugal. Estes progressos deverão ser integrados num modelo de transição energética mais amplo. Na presente tese, uma proposta concreta é apresentada, com o objectivo de incentivar o desenvolvimento na direção de uma utilização sustentável dos recursos e a promoção de tecnologias limpas nomeadamente no sector da energia. Este modelo poderá ser adaptado localmente dependendo do padrão de indústrias existente. O objectivo é atingir uma transição suave para uma sociedade de energias limpas em linha com o objectivo de atingir zero emissões de CO2 equivalente em 2050.