En la Conferencia SolarPACES 2020 en octubre , Wei Wu presentó su startup HelioHeat , que será la primera en comercializar el receptor de partículas de muy alta temperatura CentRec® desarrollado en el laboratorio de investigación solar alemán en DLR , capaz de alcanzar un calor de 1000 ° C.

La ex investigadora solar de DLR dijo a los asistentes a la conferencia (todos en línea este año) que la startup que ahora dirige como directora de operaciones con su ex colega de DLR Lars Amsbeck, planea apuntar a industrias que representan aproximadamente la mitad de la demanda mundial de calor de procesos industriales, principalmente la industrias siderúrgica, cementera, alimentaria y química. Su primer cliente será el mayor productor de pasta del mundo, Barilla en Foggia, en el sur de Italia.

El calor de 1000 ° C de HelioHeat a solo 1 cent / kWh potencialmente pone fin al uso de energía fósil para la producción de acero, cemento, alimentos y productos químicos. El primer cliente de la startup es el mayor productor de pasta del mundo, Barilla en Foggia, en el sur de Italia.

El receptor CentRec® utiliza pequeñas partículas de cerámica para capturar, transferir y almacenar el calor. Actualmente, las plantas de energía solar concentrada ( cómo funciona la CSP ) tanto de colectores cilindro-parabólicos como de torre solar utilizan un fluido para transferir energía solar para almacenar y utilizar para generar energía. Sin embargo, estos fluidos tienen límites de temperatura de funcionamiento seguros entre 400 ° C y 600 ° C.

Los límites de temperatura de los fluidos como las sales fundidas es la razón por la que los investigadores solares internacionales de Sandia en los EE. UU., CSIRO de Australia, la Universidad King Saud de Arabia Saudita , el DLR de Alemania y otros han estado investigando durante mucho tiempo el uso de partículas. Las partículas como la arena o la bauxita son más baratas, tienen una densidad energética mucho mayor y pueden soportar temperaturas de trabajo mucho más altas, hasta 1000 ° C en la actualidad y potencialmente más allá.

IMAGE @ DLR / Frank Eppler Las partículas utilizadas para recolectar y almacenar calor en el receptor CentRec® son capaces de soportar temperaturas mucho más altas que las sales fundidas

Los receptores de partículas que operan a estas temperaturas súper altas no solo harán que la producción de electricidad CSP sea más eficiente (lo que reduciría los precios), sino que estas altas temperaturas también son cruciales para reemplazar la quema de combustibles fósiles, al suministrar calor a alta temperatura para producir hidrógeno verde y otros combustibles solares y calor industrial.

Inspiración del mezclador de cemento para CentRec®

En todos los diseños de receptores de partículas, la gravedad se despliega de varias formas para mover partículas a través del flujo solar desde un campo solar de espejos que concentran la luz solar sobre ellos, para calentar las partículas. Lo que los investigadores intentan hacer es evitar que caigan demasiado rápido fuera del alcance del flujo solar dirigido al receptor en una torre.

En 2010, Wu fue uno de estos investigadores que investigaba formas de prevenir esta salida demasiado rápida de la cavidad donde reciben el flujo solar, como candidato a doctorado en DLR. “El concepto de mi receptor era un tambor que giraba lentamente, por lo que las partículas simplemente caían, volvían a ser recogidas y volvían a caer dentro del tambor casi horizontal”, dijo.

Habiendo completado el diseño de un primer prototipo, estaba emocionada de finalmente probarlo en el laboratorio. Pero su colega de DLR Lars Amsbeck y su supervisor Reiner Buck regresaron de un vuelo de lluvia de ideas a altas horas de la noche con una mejora. Querían probar un nuevo concepto, con un tambor giratorio mucho más rápido para que las fuerzas centrífugas mantuvieran las partículas empujadas hacia la pared. Pero habiendo finalmente descubierto un camino de desarrollo para su concepto original, Wu no estaba ansiosa por volver a la mesa de dibujo.

«Yo estaba como, oh no, no quiero hacer otro concepto», se rió. “Estaba empezando a construir mi configuración de prueba y experimental para probar el concepto de rotación lenta. Pero cuando hicimos nuestra primera prueba, simplemente se desarrolló demasiado polvo debido a la abrasión de las partículas que caen sobre otras partículas «.

Ella explicó: “No desea polvo en la cavidad porque absorberá la radiación solar y no obtendrá la temperatura de salida de partículas deseada. Así que tuve que empezar de nuevo con un nuevo concepto y al final me alegré bastante de que ya hubiera uno «.

IMAGEN @ Wei Wu El diseño del primer prototipo del receptor de partículas

De la mesa de laboratorio al piloto

Wu y Amsbeck continuaron trabajando otros tres años en la versión de rotación más rápida: «Nuestra primera prueba exitosa fue en 2012, cuando pudimos demostrar que el receptor puede calentar las partículas hasta 900 ° C».

La prueba se realizó en interiores con luz solar simulada a escala de banco de laboratorio con un simulador solar de 15 kWth. Pequeñas partículas de bauxita, como la arena utilizada por la industria del petróleo y el gas, se rotaron dentro del receptor centrífugo, moviéndose de 3 a 10 gramos por segundo. La eficiencia del receptor alcanzada fue de alrededor del 75%. La investigación anterior de un horno rotatorio tenía una eficiencia térmica mucho menor del 10-30%.

Las partículas, una vez calentadas en el receptor CentRec®, también actúan como transferencia de calor y almacenamiento de energía térmica. Para una planta de CSP completa, también puede haber dos opciones de respaldo, ya que la mayor parte del calor industrial se necesita las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Para permitir la entrega de energía renovable durante todo el día, este método de respaldo para calentar las partículas podría ser electricidad renovable o combustibles renovables como hidrógeno o biogás.

Después de que Wu dejó DLR, sus colegas continuaron con pruebas en interiores y una versión más grande en la torre solar al aire libre de DLR en Jülich . En 2017, Amsbeck fundó HelioHeat para participar en las convocatorias de la UE para financiar una planta de demostración con la tecnología de partículas sólidas. En 2018, él y sus colegas de DLR demostraron con éxito una vez más el logro de una temperatura de salida de partículas de más de 900 ° C en pruebas al sol con un prototipo de 2,5 MWth. Después de haber obtenido la aprobación para recibir el premio de la UE, Amsbeck dejó su trabajo en DLR para enfocarse en la nueva puesta en marcha, y se puso en contacto con Wu para unirse a la nueva puesta en marcha y llevar su tecnología al mercado.

Mientras que los inventores del receptor CentRec® son Wu y sus colegas; Como la institución de investigación que financió su investigación, DLR posee la patente original de 2010 para el concepto básico y la licencia a la joven empresa. HelioHeat también tiene su propia patente sobre una mejora sustancial del rendimiento y será el primero en comercializar CentRec®.

El camino al mercado

La nueva empresa recibió 1,4 millones de euros en cofinanciación de la CE en el marco del proyecto HiFlex  para construir el receptor CentRec® de 2,5 MWth para una planta de demostración con 20 MWh de almacenamiento de energía térmica instalada en el sitio de producción del fabricante de pasta italiano Barilla. El fabricante de pasta utilizará el calor producido por la energía solar para su fabricación de pasta para reducir el consumo de combustibles fósiles.

HelioHeat informará sobre su progreso en este proyecto en la próxima conferencia SolarPACES en Albuquerque, Nuevo México en los EE. UU. En el otoño de 2021. Para 2023, la firma planea su primera planta comercial en 100 MW, a un costo esperado de 380 euros por kW y espera reducir los costos a 220 euros por kW con producción en masa, mediante la construcción de 200 receptores por año, a partir de 2025. Al igual que otra puesta en marcha de energía solar térmica de alta temperatura, Heliogen (nuestra historia aquí ), su mercado objetivo no es la producción de electricidad, sino todas las industrias que requieren calor extremadamente alto y ahora queman combustibles fósiles para generarlo.

Como todas las plantas termosolares, las ubicaciones óptimas para estas plantas enfocadas en el calor serán áreas de alto recurso solar como Australia, Sudáfrica, el suroeste de EE. UU., El sur de Europa, Oriente Medio, África del Norte (MENA) o Chile. Cuando se combinan con altos costos de combustible, estas ubicaciones prometen el mejor retorno de la inversión (ROI), como dijo el Banco Mundial a SolarPACES el año pasado.

Wu estima que una vez que entren en la producción en masa, el ROI sería lo suficientemente alto como para competir con todos los combustibles fósiles, incluso en EE. UU. que tiene los precios de gas natural más bajos del mundo.

“Necesitamos bajar nuestro precio a 1 centavo por kilovatio hora para ser competitivos frente a los combustibles fósiles más baratos”, señaló Wu en su presentación. “Y lo que mostramos es que si podemos implementar alrededor de 200 receptores por año, considerando reducciones de costos significativas a través de la fabricación en serie, realmente podemos reducir el costo del receptor e incluso ser competitivos contra el carbón”.