La mayoría de las industrias actualmente queman combustibles fósiles para calentarse. Pero para suministrar calor directamente de la luz solar, la atención de la investigación se está centrando en el almacenamiento de energía solar térmica (TES) para que el calor se pueda entregar de manera tan consistente como la combustión de un combustible fósil usando energía puramente solar.
Un gran avance en el almacenamiento de energía solar térmica: una novedosa combinación de calor latente y sensible en un solo tanque que evita el espesamiento de la termoclina ha sido probada con éxito en el laboratorio de investigación termosolar PROMES-CNRS
Un equipo del laboratorio de investigación termosolar de concentración de PROMES , dirigido por Gilles Flamant, director de investigación emérito del CNRS, ha probado una nueva forma de almacenar este calor solar. Los resultados de su experimento se presentaron en la Conferencia SolarPACES en 2022: Evaluación experimental de un almacenamiento de energía térmica de termoclina a escala piloto que combina materiales latentes y sensibles .
El experimento validó estudios teóricos
El equipo combinó dos tecnologías de almacenamiento de energía térmica en un solo tanque. Uno es el almacenamiento de calor sensible que absorbe el calor directamente. En este caso, en esferas de alúmina. Esto se combina con el almacenamiento latente: un material de cambio de fase (PCM) contenido en tubos de metal. El PCM elegido en este caso es una sal fundida, nitrato de sodio (NaNO3), que cambia de líquido a sólido a 306 °C. Los materiales que cambian de fase almacenan aún más calor cambiando entre líquido y sólido a una temperatura específica.
Un fluido de transferencia de calor, un aceite calentado por la luz solar, fluiría a través del tanque, calentando directamente las esferas de alúmina y causando que el nitrato de sodio en los tubos metálicos cambie de sólido a líquido durante la carga, y de líquido a sólido cuando se enfría en la fase de descarga.
El experimento validó tres estudios teóricos que evaluaron la combinación de almacenamiento de calor sensible y de cambio de fase. Uno sugirió que una solución combinada proporciona una reducción de costos competitiva sobre una termoclina solo PCM mientras funciona mejor que el calor sensible TES. Otro encontró que el 5% sería la proporción ideal de este PCM al material de almacenamiento de calor sensible (escoria, un producto de desecho de la fabricación de acero). Un tercero encontró que una relación de almacenamiento latente a sensible muy baja (menos del 1,5 %) sería factible.
Cómo los investigadores minimizaron la mezcla de termoclina
El equipo de Flamant probó esta tecnología de almacenamiento de energía dual en el llamado tanque de termoclina, donde los fluidos fríos y calientes se apilan verticalmente en el mismo tanque. El almacenamiento de termoclina está a la vanguardia de la investigación térmica solar porque el uso de un tanque reduce el costo del almacenamiento de energía térmica en aproximadamente un tercio, siempre que la región de termoclina donde se encuentran el calor y el frío no se vuelva demasiado espesa.
Flamant explicó el proceso físico de carga y descarga en este tipo de sistema de almacenamiento de energía térmica.
“Se puede pensar en el sistema como un pistón, donde empuja el fluido caliente, en nuestro caso, el aceite líquido, desde arriba hacia abajo durante la carga y el fluido frío desde abajo hacia arriba durante la descarga”, dijo. dicho.
“En la situación de descarga, la temperatura del fluido está disminuyendo cuando la termoclina alcanza la parte superior del tanque de almacenamiento. Suponga que no puede operar el ciclo de conversión por debajo de cierta temperatura. En ese caso, puedes definir un límite de temperatura de salida para el cual tienes que detener la descarga porque, después de ese umbral, no puedes convertir más energía térmica en potencia”.
Idealmente, la región de la termoclina donde se encuentran los fluidos de transferencia de calor caliente y frío debe mantenerse lo más pequeña posible para un almacenamiento de energía eficiente en un solo tanque.
Entonces, como parte de la prueba, el equipo de PROMES midió el espesor de la termoclina durante la carga y descarga. Estaban tratando de determinar la temperatura y la velocidad óptimas del flujo de aceite para evitar que la termoclina ocupara demasiado espacio. Así que probaron la carga y descarga en dos rangos de temperatura diferentes y tres velocidades de flujo diferentes y observaron cómo cambiaba el grosor de la termoclina durante el proceso de carga y descarga.
Cómo la adición de la capa PCM mejoró la calidad de la energía – IMAGE@PROMES-CNRS
Aprovechando el punto de “congelación” del nitrato de sodio (NaO3)
El punto de cambio de fase de líquido a sólido para el nitrato de sodio es de 306 °C. Así que probaron temperaturas crecientes para la carga (y temperaturas decrecientes para la descarga) que superaban el punto en el que el nitrato de sodio se «congela» o «derrite». El banco de pruebas de almacenamiento de energía térmica de PROMES es la planta piloto cilindroparabólica MicroSol-R que está diseñada para este tipo de temperatura.
La prueba mostró que para este tipo de almacenamiento de energía térmica, es mejor cargar y descargar lentamente y con una temperatura de entrada relativamente baja.
Para el ciclo de carga, los rangos de temperatura que compararon los investigadores fueron 285-315 °C y 295-330 °C, mientras que el ciclo de descarga se probó en rangos de temperatura de 315 a 220 °C y de 330 a 225 °C.
Los tres caudales másicos evaluados fueron 2600, 3000 y 3900 kg/h para carga y para descarga fueron 1600, 2000 y 3000 kg/h. Durante la carga, encontraron que la eficiencia era similar en cada temperatura y tasa de flujo probada.
Durante la descarga, la eficiencia máxima fue de aproximadamente 2000 kg/h. Establecer este índice de flujo de masa óptimo conocido es útil para los operadores de este tipo de almacenamiento de energía térmica.
La ventaja de incluir un material de cambio de fase
El tanque de 3,3 metros cúbicos contenía solo 337 kg de nitrato de sodio como material de cambio de fase, pero 4,66 toneladas de esferas de alúmina como almacenamiento de calor sensible. Entonces, el PCM representa solo el 5% en volumen del sistema de almacenamiento térmico.
“Necesitamos mantener la cantidad de PCM al mínimo”, explicó Flamant. “Es una cuestión de costo; cada vez que utilice materiales PCM, aumentará el precio. Por sí solo, el PCM no es una solución económica, sino una forma de optimizar la eficiencia del almacenamiento de energía debido a la cantidad de calor que puede extraer del almacenamiento a un determinado nivel de temperatura. La pregunta básica es la cantidad de material PCM con respecto a los materiales sensibles que necesitas para lograr el objetivo de evitar grandes espesores de termoclina”.
Señaló que la incorporación de un PCM aumenta la eficiencia del almacenamiento de energía porque la energía se puede extraer al nivel de temperatura objetivo durante la descarga. Entonces, a pesar de su costo, esta temperatura conocida a la que un PCM se “congela” facilitaría la operación para los técnicos de la planta, reduciendo los costos de operación y mantenimiento de manera más indirecta.
El banco de pruebas de PROMES está configurado para funcionar a temperaturas más bajas. Por lo tanto, era adecuado para probar el nitrato de sodio que se solidifica a 306 °C. Pero Flamant dijo que elegir un PCM diferente con un «interruptor» de temperatura más alta para su cambio de fase también funcionaría en un tanque de termoclina que combina almacenamiento de energía térmica sensible y latente como esta prueba. El estudio anterior predijo que un PCM que cambia de fase a una temperatura más alta tendría una proporción aún más baja de almacenamiento sensible: solo 1,33 %.
En cuanto a otros materiales de almacenamiento de calor sensible, Flamant sugirió que algunos otros materiales prometedores para explorar este almacenamiento de termoclina dual que combina almacenamiento de calor latente y sensible podrían ser desechos industriales, escoria de acero o incluso cerámica de asbesto.
Hasta ahora, en las plantas comerciales de CSP, el almacenamiento de energía térmica ha sido en dos tanques, uno para el fluido caloportador calentado por el sol y el otro tanque (una vez extraído el calor) para el fluido ahora más frío, que regresa a la solar. receptor o colector a calentar de nuevo.
Este experimento no analizó el costo. Pero si el análisis financiero demuestra los costos más bajos que implica el aumento de la eficiencia de esta prueba y la reducción del espesor de la termoclina, existen implicaciones significativas para reemplazar de manera rentable los combustibles fósiles con calor solar directo para los procesos industriales. Y es probable que en el futuro veamos plantas de CSP que usen tanques de termoclina que combinen almacenamiento de calor latente y sensible.
, solarpaces.org
