Thermal energy storage for high temperature applications

Abstract

La producción de energía eléctrica a gran escala a partir de energía solar ha recibido en las últimas décadas un gran impulso debido a las diferentes ventajas que ofrece, no sólo medioambientales sino también en temas geopolíticos como son su independencia de los combustibles fósiles y su alta disponibilidad geográfica. Sin embargo, antes de que la energía solar sea capaz de penetrar significativamente en el mix de energía que abastece un país, todavía quedan algunos retos por resolver. El desafío principal de la energía solar es su intermitencia intrínseca, lo que a menudo dificulta la coincidencia entre la disponibilidad de la fuente de energía con la necesidad de satisfacer la demanda eléctrica. Por tanto, el almacenamiento de energía es la clave para conseguir desacoplar la producción de energía eléctrica de la radiación solar. En este aspecto, la tecnología solar térmica está un paso por delante otras tecnologías como la fotovoltaica. Tal vez debido a la histórica utilización del calor para diferentes propósitos, el almacenamiento de energía térmica está bastante desarrollado y plantea hoy en día pequeños problemas tecnológicos en comparación con otras aún incipientes -pero muy prometedoras- tecnologías de almacenamiento como las baterías. Gracias a esta ventaja, junto con las mayores eficiencias en la producción a gran escala en comparación con la energía fotovoltaica, la energía termosolar promete desempeñar un papel relevante en un futuro próximo. Aunque menor que otras tecnologías, la elevada inversión necesaria para la implementación de sistemas de almacenamiento térmico es una gran desventaja. Por tanto, el desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento térmico más densos energéticamente y sobre todo de menor coste específico, además de la mejora de los sistemas existentes, es crucial para la implantación de la energía solar como vector energético a gran escala. Esta tesis se plantea, dentro de este contexto, con el objetivo principal de explorar diferentes estrategias para incrementar la densidad energética de los sistemas de almacenamiento térmico que se utilizan actualmente en plantas solares térmicas de concentración, específicamente las de torre, por su mayor potencial debido a su mayor temperatura de operación y por tanto mayor eficiencia en la transformación de la energía térmica en eléctrica. Las dos tecnologías de almacenamiento térmico que se utilizan actualmente a nivel comercial en este tipo de plantas son: los acumuladores de vapor y los tanques de sal fundida. Ambos sistemas utilizan almacenamiento de calor sensible: el primero en agua líquida saturada a alta temperatura y presión, y el segundo sistema almacena energía mediante el incremento de la temperatura de sales fundidas. Como alternativas a las actuales tecnologías en esta tesis se ha investigado el uso de a) materiales de cambio de fase (PCM) que utilizan el calor latente de fusión como mecanismo de almacenamiento térmico complementario a los acumuladores de vapor, y b) la modificación de las propiedades termofísicas de las sales fundidas a través de la adición de nanopartículas con el objetivo de incrementar su densidad energética del sistema basado en tanques de sales. El uso de materiales de cambio de fase como sistema de almacenamiento ha requerido la realización de una selección de materiales basada en valores de temperatura de fusión y calores latentes de la literatura en el rango de temperatura de interés (~300 ºC) validando dichos valores experimentalmente mediante el uso de calorimetría diferencial barrido. El intercambio de calor entre el material de almacenamiento y el fluido caloportador por medio de un sistema de lecho fijo de bolas ha requerido el diseño, desarrollo y prueba del sistema PCM-capsula. Se ha identificado el borosilicato como material encapsulante de PCM utilizándolo para el desarrollo de diferentes pruebas de concepto. Las cápsulas de PCM, una vez fabricadas, se han probado individualmente en una instalación experimental, donde el objetivo principal era el ciclado térmico con un flujo convectivo de aire a temperaturas entre 200 y 400ºC con el fin de fundir y congelar el material. Se ha implementado un modelo numérico, intentando aproximarse en la medida de lo posible a la instalación experimental, para ayudar a entender la influencia de parámetros como la naturaleza del material de cambio de fase (sal - metal), material de cápsula, espesor, etc., en los tiempos de inicio y fin del proceso de cambio de fase así como perfiles de temperatura dentro de la cápsula. El modelo es capaz de capturar la física principal que tiene lugar a pesar de su simplicidad y se utiliza para ayudar a entender los resultados experimentales. Las simulaciones se han comparado con los experimentos cualitativa y cuantitativamente identificando algunas fuentes de incertidumbre que podrían explicar el desajuste entre ellos. En conclusión, el uso de PCM como almacenamiento térmico tiene sentido desde un punto de vista de eficiencia energética. Con este análisis se demuestra que una cápsula aislada funciona debidamente, intercambiando calor con al aire caliente circundante. El siguiente paso sería probar un lecho fijo de cápsulas en condiciones no sólo de alta temperatura sino también de alta presión. Sin embargo, hasta el momento los costes asociados al contenedor del lecho fijo (tanque de vapor) superan los beneficios de estas cápsulas de PCM, llevando a pensar en diseños de intercambiadores de calor alternativos. Finalmente, se ha investigado la adición de nanopartículas para mejorar la capacidad de almacenamiento de los sistemas basados en sales fundidas. El objetivo inicial era reproducir el aumento de calor específico reportado en la literatura por varios grupos de investigación. Desafortunadamente, las diferentes concentraciones de nanopartículas, tamaños, tipos y diferentes composiciones de fluido base ensayadas no mostraron ninguna mejora sustancial ni estadísticamente significativa respecto al fluido base. Se introdujeron ligeras modificaciones del proceso de síntesis, descubriendo que la etapa de evaporación de la disolución parece separar la sal en diferentes regiones con composiciones ligeramente diferentes, lo que podría explicar ligeras modificaciones en el calor específico y el calor latente. Durante esta investigación se han cuestionado algunas suposiciones que se daban por validas en el proceso de síntesis por los diferentes grupos de investigación. El protocolo de síntesis basado en la disolución de la sal en agua, sonicación y vaporación, el más ampliamente utilizado, no parece apropiado ya que es posible encontrar muestras con Cp superior o inferior a la media incluso sin nanopartículas. También se ha cuestionado la capacidad de los nanofluidos de sal fundida para mantener las nanopartículas homogéneamente distribuidas en suspensión. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido no mostraron la presencia de nanoestructuras "especiales" o "anómalas" en la sal. También se ha investigado el calor latente de los nanofluidos de la sal fundida. Se ha observado que el calor latente disminuye en una cantidad mayor que la prevista teóricamente, a diferencia de las limitadas investigaciones existentes con sales fundidas, pero alineadas con un gran número de estudios de materiales de cambio de fase con nanopartículas de menor temperatura. Por último, hemos planteado la hipótesis de la existencia de una capa líquida en la interfase partícula-fluido como responsable de esta mayor reducción en el calor latente del cálculo del espesor de la capa en cada una de las composiciones del líquido base analizada. Aunque la adición de nanopartículas a fluidos caloportadores podría resultar muy interesante para mejorar las propiedades termofísicas de los mismos, actualmente la tecnología está muy lejos de poder ser implementada industrialmente en una planta termosolar. Con este análisis detallado se han identificado muchos de los problemas por resolver: la dificultad en realizar medidas a muy altas temperaturas y con nanopartículas en suspensión, la falta de consenso en la mejora de propiedades a obtener, la falta de un método de síntesis que no influya en los resultados y, sobre todo, donde las partículas se mantengan uniformemente distribuidas durante los ciclos de trabajo y a las temperaturas requeridas. Hasta el momento, ninguno de los autores que han evaluado estas sales con nanopartículas han reportado detalles de la estabilidad de sus dispersiones en estado líquido, paso previo esencial a cualquier trabajo futuro.