By means of a literature review, critical parameters in the context of thermal energy storage systems, particularly packed bed thermal energy storage systems are identified. The goals of this thesis project are to come up with an optimized design for a PBSTES and to evaluate the thermal performance of alternative storage materials derived from byproducts of industrial processes and natural rocks in order to reduce the environmental impact of the designed system. Several CFD simulations have been performed in order to test these materials and optimize the system designusing COMSOL Multiphysics. In order to optimize the design of the packed bed TES system, given the boundary conditions provided, the dimension and arrangements of the two packed bed layers and the dimension of the pellets contained in each layer has been varied, and different system configurations with different pressure drops and thermal performance have been obtained. Through sensitivity analyses, an optimized design consisting of larger pellets (12.41 mm) in a slightly thinner inner layer (0.219 m) and smaller pellets (4.85 mm) in a larger outer layer (0.256m) is obtained. This optimized design is then tested using the alternative materials that have been identified as potential alternative filler materials which are copper slag, steel slag, aluminum dross, ceramic waste, and basalt. Granite is also tested as it has been identified as a common choice of filler material in literature and it is therefore used as a benchmark for the other materials to be compared against. The performance of these materials is then evaluated based on the identified KPIs: thermal efficiency of the systems, energy capacity of the materials, and thermocline thickness. Based on the outcomes of the KPI, copper slag, steel slag, aluminum dross, and ceramic wastes displayed better performance than granite. Among natural rocks, basalt showed better thermal performance and improved efficiency compared to granite making it a viable alternative in applications requiring the use of natural rocks as filler materials.This project showed that recycled materials and byproducts of energy intensive industries, particularly copper slag, represent a promising alternative as storage material in sensible packed bed thermal energy storage systems by reducing the environmental impact of these systems while guaranteeing appropriate performance.

Genom en litteraturöversikt identifieras kritiska parametrar i sammanhanget av termiskt energilagringssystem, särskilt packbäddar för termiskt energilagringssystem. Målen för detta avhandlingsprojekt är att utveckla en optimerad design för en PBSTES och att utvärdera den termiska prestandan hos alternativa lagringsmaterial som härstammar från biprodukter av industriella processer och naturliga bergarter för att minska den miljömässiga påverkan av det designade systemet. Flera CFD-simuleringar har utförts för att testa dessa material och optimera systemdesignen med hjälp av COMSOL Multiphysics. För att optimera designen av packbädd TES-systemet har dimensionen och arrangemangen av de två packbäddslagren och storleken på pelletsen i varje lager varierats, och olika systemkonfigurationer med olika tryckfall och termisk prestanda har erhållits. Genom känslighetsanalyser erhålls en optimerad design bestående av större pellets (12,41 mm) i ett något tunnare inre lager (0,219 m) och mindre pellets (4,85 mm) i ett större yttre lager (0,256 m). Denna optimerade design testas sedan med de alternativa material som har identifierats som potentiella fyllnadsalternativ, vilka är kopparslagg, Stålslagg, aluminiumslagg, keramiskt avfall och basalt. Granit testas också eftersom det har identifierats som ett vanligt val av fyllnadsmaterial i litteraturen och används därför som en referenspunkt för de andra materialen att jämföras med. Prestandan hos dessa material utvärderas sedan baserat på de identifierade KPI:termisk verkningsgrad hos systemen, energikapacitet hos materialen och termoklinens tjocklek. Baserat på resultaten av KPI visade kopparslagg, Stålslagg, aluminiumslagg och keramiska avfall bättre prestanda än granit. Bland naturliga bergarter visade basalt bättre termisk prestanda och förbättrad effektivitet jämfört med granit, vilket gör det till ett livskraftigt alternativ i tillämpningar som kräver användning av naturliga bergarter som fyllnadsmaterial. Detta projekt visade att återvunna material och biprodukter från energiintensiva industrier, särskilt kopparslagg, utgör ett lovande alternativ som lagringsmaterial i sensibla packbäddar för termiskt energilagringssystem genom att minska miljöpåverkan av dessa system samtidigt som de garanterar lämplig prestanda.