Rock heat storage: modeling a reservoir with hematite ore

Devido à evolução industrial, tecnológica e ao crescimento populacional, tem-se verificado um aumento da dependência energética. É urgente encontrar soluções capazes de satisfazer as necessidades energéticas, que sejam sustentáveis e representem um nível elevado de consciência ambiental. Uma solução possível é o armazenamento de energia térmica. Este tipo de sistemas permite auxiliar as energias renováveis, uma vez que oferecerem um equilíbrio entre a oferta e a procura, suprimido a lacuna da intermitência. O armazenamento de energia térmica é alimentado durante o dia, por exemplo por um painel solar, quando a energia fornecida não é suficiente, será usado a energia armazenado no reservatório. Nesta dissertação foi criado um reservatório cilíndrico, onde foi ensaiado ciclos de aquecimento e arrefecimento do minério hematítico de Moncorvo, recolhida no Cabeço da Mua. O material foi sujeito a uma britagem e calibração, de onde se retiraram três lotes que foram caracterizados por DRx e FRx. Com o auxílio do software LabView que controla uma placa de aquisição (DAQ) com sete termopares e do software Matlab propomos um modelo numérico que simula as trocas de calor. Além disto, foi estudado a condutividade térmica, calor específico e a difusividade térmica do material ferroso e da interferência da granulometria no armazenamento térmico. Os ciclos de aquecimento e arrefecimento mostraram que a condutividade térmica do minério granulado é baixa, o que permite armazenar durante mais tempo a energia. Por outro lado, o calor específico por volume é elevado, o que permite inferir que os grãos do minério hematítico são capazes de absorver mais energia, mostrando que é um bom material armazenador de calor. O modelo numérico é obtido a partir de um modelo inicial dos parâmetros densidade, calor específico e condutividade, resultando no modelo direto. Este é comparado com os dados experimentais e efetua um ajuste através da minimização dos desvios entre as curvas. Adicionalmente foram realizadas duas simulações de um reservatório cinco vezes maior, com uma fonte de calor estacionária e outra variável no tempo com vista a simular um reservatório alimentado por um painel solar. Por fim, foi calculada uma eficiência dos sistemas simulados a partir da razão entre o calor fornecido e o calor armazenado. Due to industrial and technological developments, as well as population growth, there has been an increase in energy dependence. There is an urge to find sustainable solutions capable of meeting energy needs, while also integrating a high level of environmental awareness. One possible solution is thermal energy storage. This type of solutions allows to assist renewable energies, offering a balance between supply and demand, thus eliminating the intermittency gap. Thermal energy storage can be powered during the day, for example by a solar panel, and when an electrical energy is not sufficient, use it the energy stored in the reservoir. In this dissertation a cylindrical reservoir was created, where the heating and cooling cycles of the Hematite ore of Moncorvo, collected in Cabeço da Mua were tested. The material was subjected to crushing and calibration, from which three batches were removed and characterized by DRx and FRx. With the aid of the LabView software to control an acquisition board (DAQ) with seven thermocouples and also using the Matlab software, we propose a numerical model that simulates how heat exchanges. In addition, we studied thermal conductivity, specific heat and thermal diffusivity of ferrous material, as well as the interference of granulometry in thermal storage. The heating and cooling cycles suggest that the thermal conductivity of granulated ore is low, which allows energy to be stored for longer periods of time. On the other hand, the specific heat by volume is increasing, which allows to infer that the hematite ore grains are able to absorb more energy, showing that is a good heat storage material. The numerical model is specified from an initial model of the density, specific heat and conductivity parameters, resulting in the direct model. This is compared with the experimental data, making an adjustment by minimizing the deviations between the curves. In addition, two simulations of a five times larger reservoir were carried out, with a stationary heat source and another variable in time in order to simulate a reservoir powered by a solar panel. Finally, an efficiency of the simulated systems was calculated from the ratio between the supplied heat and the stored heat. Mestrado em Engenharia Geológica