Tesis (Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS) – CIC Cartuja)
URI permanente para esta colecciónhttps://hdl.handle.net/11441/10967
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Tesis Doctoral Sistemas de almacenamiento termoquímico para energía solar concentrada.(2018) Sarrión Aceytuno, Beatriz; Pérez Maqueda, Luis Allan; Valverde Millán, José Manuel; Universidad de Sevilla. Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS) – CIC CartujaEn una central térmica convencional se utilizan combustibles fósiles para producir vapor de agua que se expande en una turbina dando lugar a trabajo mecánico de acuerdo con el ciclo de Rankine. Mediante un generador, el trabajo mecánico es transformado en energía eléctrica. En la central de energía solar concentrada, se utiliza la energía del sol mediante un campo de heliostatos o colectores cilíndricos parabólicos para concentrar la radiación y producir el vapor. A día de hoy, España es el país del mundo con mayor cantidad de centrales de energía solar concentrada en funcionamiento, existiendo numerosas empresas españolas que son líderes mundiales en la construcción y explotación de dichas plantas por todo el mundo. Una ventaja importante de la tecnología de torre central de energía solar concentrada es la posibilidad de utilizar sistemas de almacenamiento térmico de la energía para producir electricidad, incluso cuando no hay radiación solar. En este sentido, existen plantas comerciales como la de Gemasolar en Fuentes de Andalucía (Fuentes de Andalucía, Sevilla) que usa sales fundidas (una mezcla de nitratos alcalinos) para almacenar el calor, siendo capaz de generar electricidad hasta 15 horas sin necesidad de radiación. El uso de sales conlleva problemas tales como el elevado coste de estas sales, la necesidad de mantenerlas a una temperatura mínima para evitar la congelación, su carácter corrosivo, o su limitación de temperatura máxima por problemas de degradación térmica de las mismas. En esta tesis se abordará el uso de reacciones en estado sólido para realizar el almacenamiento de energía térmica. Se propone el uso de la reacción reversible de calcinación‐carbonatación de la caliza para este propósito, la cual ha sido muy estudiada para su utilización en sistemas de captura de CO2. Esta tecnología se conoce con el término inglés Calcium‐looping. Su utilización para almacenamiento termoquímico de energía solar es novedosa y es necesario establecer las condiciones óptimas de trabajo de acuerdo con la reactividad del CaO para determinar la eficiencia de la reacción cuando se somete a sucesivos ciclos de calcinación-carbonatación. Concretamente, se estudia el efecto que provoca en carbonatos naturales el uso de He en el calcinador en condiciones de CaL en plantas CSP para almacenamiento termoquímico de energía. Debido a la alta conductividad térmica del He y la buena difusividad del CO2 en este gas, se reduce la temperatura de calcinación, lo que haría posible el uso de receptores solares relativamente baratos basados en aleaciones metálicas, y aumenta la velocidad de calcinación. Asimismo, se pone de manifiesto en esta tesis la importancia de las condiciones de operación a las que se somete un mismo material. En esta tesis doctoral también se ha estudiado el efecto que tiene el tamaño de partícula de carbonatos naturales en el proceso de integración del CaL en plantas CSP. Este estudio es importante debido a que el tamaño de partícula juega un papel relevante en los procesos industriales basados en lechos fluidizados circulantes (CFB) que dependen de la eficiencia de los ciclones para la separación de las partículas de las corrientes de gas. Otro fenómeno importante que podría limitar las reacciones gas-sólido con respecto al tamaño de partícula es la obstrucción de poros si el tamaño de poro no es suficientemente grande y las condiciones de carbonatación conducen a una acumulación muy rápida de una capa gruesa de CaCO3 en la superficie de las partículas de CaO. Por tanto, todo ello se ha estudiado en esta tesis en diferentes carbonatos naturales con diferente granulometría tanto en condiciones de captura de CO2 como de almacenamiento de energía, para ver si el comportamiento multicíclico pudiera estar relacionado con la microestructura de éstos. De acuerdo con las simulaciones recientes del proceso de integración del CaL en plantas CSP, la conversión termoeléctrica mejoraría en condiciones de ciclo cerrado de CO2 a medida que aumenta en el carbonatador la presión de CO2 y la temperatura. En esta tesis, se estudia cómo afecta experimentalmente a los materiales utilizados la presión y temperatura en el carbonatador para el almacenamiento termoquímico de energía en plantas CSP. Estas condiciones se han estudiado en un sistema termogravimétrico a presión diseñado y puesto en marcha en nuestro laboratorio. Por último, se estudia la actividad multicíclica de precursores naturales de CaO y de dos materiales compuestos (mezclas Ca3Al2O6/CaCO3 y ZrO2/CaCO3), en condiciones de ciclo cerrado de CO2 en el que tanto la calcinación como la carbonatación se llevarían a cabo en flujo de CO2 puro. Esto evita el uso de membranas separadoras de gases, aunque se necesitan altas temperaturas para alcanzar la calcinación total del CaCO3 en CO2 puro, afectando a la actividad del CaO regenerado en cada ciclo. Las mezclas estudiadas se prepararon mediante moliendas con molino de bolas, que es una técnica escalable para la producción de altas cantidades de material según se requiera a escala comercial.