Phase change materials for thermal energy storage in high-temperature applications

Abstract

L’emmagatzematge d’energia tèrmica (TES) és un component clau en l’optimització de processos industrials, en particular en aplicacions amb generació d’energia tèrmica intermitent. Per implementar aquesta tecnologia, és crucial seleccionar els materials d’emmagatzematge adequats. La literatura científica molts materials d'emmagatzematge estan reportats, però, molts d'aquests materials potencials manquen de caracterització completa. En conseqüència, la selecció adequada de PCMs per a cada aplicació encara és difícil. Aquesta tesi doctoral se centra a fer una contribució científica a les bretxes identificades. L'estudi inclou una caracterització completa i l'avaluació experimental de l'estabilitat atmosfèrica i la compatibilitat amb metalls de 53 PCM al rang de temperatures de 60 °C a 600 °C.

A més de la caracterització dels 53 PCMs, en aquesta tesi doctoral es va desenvolupar una nova metodologia de selecció de PCMs, específicament dissenyada per a aplicacions d'alta temperatura, que considera factors crucials des del punt de vista de la implementació i de manejabilitat de materials, com ara la higroscopicitat, el nivell de perillositat i la resistència a la corrosió.

Finalment, en aquest estudi també es va avaluar la compatibilitat dels PCM potencials amb 3 metalls resistents a la corrosió, mitjançant el mètode d´immersió per examinar la corrosió estàtica en atmosfera d´aire. Els resultats de les proves de corrosió van permetre identificar els metalls potencialment compatibles amb els PCM amb què estaran en contacte.

El almacenamiento de energía térmica (TES) es un componente clave en la optimización de procesos industriales, en particular en aplicaciones con generación de energía térmica intermitente. Para implementar esta tecnología, es crucial seleccionar los materiales de almacenamiento adecuados. La literatura científica muchos materiales de almacenamiento están reportados, sin embargo, muchos de estos materiales carecen de una caracterización completa. En consecuencia, la selección adecuada de PCMs para cada aplicación es todavía difícil. Esta tesis doctoral se centra en realizar una contribución científica en las brechas identificadas. El estudio incluye una caracterización completa y la evaluación experimental de la estabilidad atmosférica y la compatibilidad con metales de 53 PCMs en el rango de temperaturas de 60 °C a 600 °C.

Además de la caracterización de los 53 PCMs, en esta tesis doctoral se desarrolló una nueva metodología de selección de PCMs, específicamente diseñada para aplicaciones de alta temperatura, que considera factores cruciales desde el punto de vista de la implementación y de manejabilidad de materiales, como la higroscopicidad, el nivel de peligrosidad y la resistencia a la corrosión.

Finalmente, en este estudio tambien se evaluó la compatibilidad de los PCM potenciales con 3 metales resistentes a la corrosión, mediante el método de inmersión para examinar la corrosión estática en atmósfera de aire. Los resultados de las pruebas de corrosión permitieron identificar los metales potencialmente compatibles con los PCM con los que estarán en contacto.

Thermal energy storage (TES) is a key component in the optimization of industrial processes, particularly in applications with intermittent generation of thermal energy. To implement this technology, the selection of suitable storage materials is crucial. The scientific literature provides an extensive option of storage materials. However, many of these materials lack complete characterization. Consequently, the adequate selection of PCMs for each application is still difficult. This PhD thesis focuses on making a scientific contribution to the current gap. The study includes a comprehensive characterization, and experimental evaluation of the atmospheric stability and metal compatibility of 53 PCMs in the temperature range of 60 °C to 600 °C.

Besides the characterization of the 53 PCMs, in this PhD thesis, a novel comprehensive PCM selection methodology was developed, specifically designed for high-temperature applications, which considers crucial factors from the implementation and materials handling point of view, such as hygroscopicity, hazard level, and corrosion resistance.

The compatibility of potential PCMs was evaluated with 3 corrosion-resistant metals, through the immersion method to examine static corrosion under air atmosphere. The results of the corrosion tests allowed to identify metals potentially compatible with the PCMs with which they will be in contact.