Hace tres años, la ingeniera de almacenamiento de energía térmica de Abengoa, Cristina Prieto, cambió el mundo relativamente reservado de la CSP comercial por el mundo académico.
Ahora, como profesora de una nueva disciplina de almacenamiento de energía térmica en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Sevilla, puede ser creativa a nivel de investigación.
Del artículo Almacenamiento de energía térmica (TES) con materiales de cambio de fase (PCM) en plantas de energía solar (CSP) Concepto y rendimiento de la planta en el que la experta en almacenamiento térmico de Abengoa, Cristina Prieto, propuso una termoclina en cascada
Regresar a la academia le permitió aprovechar su experiencia en el almacenamiento de energía térmica para innovar un concepto de almacenamiento completamente nuevo basado en cuatro materiales de cambio de fase (PCM) diferentes en cascada en serie.
Prieto ahora está coordinando el proyecto HYBRIDplus de 4 años y $ 3 millones de la UE que involucra a tres universidades y cuatro empresas, que comenzó a trabajar a fines de 2022 para demostrar su concepto durante los próximos cuatro años.
“En Abengoa, nos enfocamos en TRL alto para nuestras plantas comerciales, ¿verdad? Ahora en la universidad tengo más libertad; pensar e inventar a un TRL más bajo”, explicó Prieto.
“Este es un nuevo concepto que no ha sido probado antes. En lugar de almacenar el calor en los dos tanques de sales fundidas convencionales, usamos PCM, que almacenan la energía como calor latente con mayor densidad de energía que los sistemas de calor sensible”.
Refiriéndose a los nueve niveles de preparación tecnológica (TRL) que miden la madurez de las nuevas tecnologías desde el concepto hasta la comercialización, agregó: “Pero creo que estaremos listos para llegar muy rápido a TRL 9, para aplicaciones de calor de proceso, por ejemplo. ”
Se probarán dos innovaciones en este almacenamiento de energía térmica utilizando PCM. Primero, inventa una forma en cascada de una termoclina. Y probará lana de metal de bajo costo para aumentar su eficiencia térmica.
Una termoclina en cascada
El proyecto HYBRIDplus aprovechará los puntos de fusión de 4 PCM diferentes, que van desde 300 °C a 600 °C, en cuatro módulos separados dispuestos en serie dentro de un tanque. En secuencia, el fluido de transferencia de calor cae en cascada a través de cada módulo a través de una tubería central rodeada por cada uno de los cuatro PCM, creando una especie de termoclina.
HYBRIDplus cuatro PCM de 300 °C a 600 °C
Tanque único – termoclina – el almacenamiento térmico se investiga por su potencial para reducir costos al eliminar la necesidad de un segundo tanque frío después de extraer el calor. Pero la región de temperaturas mixtas en el medio («la termoclina») corre el riesgo de reducir su eficiencia térmica.
En cuatro módulos separados, cuatro mezclas químicas diferentes crean esta nueva termoclina «en cascada». La separación resuelve el problema práctico del almacenamiento en termoclina ya que no hay riesgo de mezcla de temperatura.
“Estás tratando de crear una cascada para reducir la diferencia entre la temperatura de entrada y salida durante la carga y la descarga”, explicó Prieto.
“Usando el calor del cambio de fase durante el intercambio de calor, aparece un ciclo de histéresis entre la carga y la descarga. Esta histéresis limita la temperatura máxima a la que el sistema puede descargar. Para reducirlo y acercarnos lo más posible a las condiciones nominales, utilizamos el concepto de cascada. Cada módulo de almacenamiento se selecciona con un punto de fusión diferente del PCM, implementando de esta manera el tanque en cascada”.
El ciclo de histéresis se refiere a cómo los PCM absorben y liberan una gran cantidad de calor durante los cambios de fase.
Lana de metal de bajo costo para ser probada
Dentro de cada módulo, la lana de metal estará densamente dispuesta a lo largo de la sal líquida líquida de cada PCM que rodea la tubería que contiene el fluido de transferencia de calor.
Una prueba de laboratorio de lana térmica que demuestra el cambio de dirección por capa para distribuir el calor uniformemente a través del PCM
La inclusión de lana metálica resuelve el problema principal del almacenamiento de PCM, a un costo muy bajo. A pesar de su excelente capacidad de almacenamiento térmico de bajo costo y larga duración con alta densidad de energía y pérdidas por debajo del 1 % diario, los PCM son malos conductores del calor.
Incluir la lana de metal resuelve esto porque los metales como el acero tienen una excelente conductividad térmica. Las fibras de acero muy finas pueden conducir el calor a 40 vatios por metro de espesor por grado de diferencia de temperatura. Esta lana metálica densamente empaquetada aumenta la conductividad térmica del PCM en un 300 % sin disminuir su densidad de energía.
Un mapa de calor muestra la distribución del calor en el PCM
Esta lana de metal también podría usar la energía de la red para cargar térmicamente cada módulo de almacenamiento, por lo que también actúa como un calentador eléctrico dentro del PCM líquido.
“Y este es el concepto HYBRIDplus que estamos evaluando”, señaló. “Lo que hacemos en el proyecto es integrar lanas de metal en el PCM para mejorar mucho el coeficiente de transferencia de calor y, al mismo tiempo, usamos este metal como un calentador eléctrico para hibridar el almacenamiento de energía térmica, lo que nos permite almacenar el exceso de electricidad. de una planta solar fotovoltaica, por ejemplo”.
Durante los próximos cuatro años, las pruebas en el mundo real de esta termoclina en cascada generarán algunos cambios con respecto al concepto original.
Ya ha habido algunos cambios desde que Prieto propuso por primera vez la idea en 2019 en el almacenamiento de energía térmica (TES) con materiales de cambio de fase (PCM) en plantas de energía solar T (CSP). Concepto y rendimiento de la planta y documento de 2021 Nuevo concepto de almacenamiento de material de cambio de fase que incluye lana de metal como método de mejora de la transferencia de calor para el uso del calor solar en la industria .
En estos documentos anteriores, se seleccionaron puntos de fusión de temperatura más baja y candidatos PCM para la CSP cilindroparabólica. Sin embargo, el proyecto HYBRIDplus apunta a temperaturas más altas para CSP de torre súper eficiente o almacenamiento térmico independiente. Por lo tanto, lo siguiente que se decidirá es qué cuatro candidatos de PCM se incluirán con puntos de fusión más altos de 300 °C a 600 °C.
También se decidirá la disposición óptima de los cuatro módulos en el interior del tanque, ya sea vertical o escalonada en diagonal. “No está decidido exactamente cómo se organizaría”, dijo. “Si necesitamos agregar más tuberías para hacer la conexión de arriba hacia abajo entre cada módulo. Entonces, el arreglo final dependerá de comparar la estructura con la tubería; lo que es más caro.”
Cómo se verían comercialmente los tanques de termoclina en cascada
A escala comercial, el tamaño total de estos cuatro módulos comprendería aproximadamente el 80 % de uno de los tanques de almacenamiento de energía térmica de sales fundidas actuales que sirven a las plantas comerciales de CSP. Este almacenamiento de energía térmica independiente almacenaría el excedente de energía renovable o se implementaría para las muchas industrias que necesitan procesar calor.
La investigación, dirigida por la Universidad de Sevilla en España, está siendo realizada por un consorcio de cuatro empresas SEICO Heizungen GMBH, Build to Zero, R2M Solution y Deutsches Metalfaserwerk, con otras dos universidades; KTH Real Instituto Tecnológico de Suecia, y la Universidad de Lleida en España.
, solarpaces.org
