Un estudio de Sandia ha echado un primer vistazo al cálculo de costes de los sistemas de transporte para una forma de tecnología de torre de energía solar concentrada (CSP) de última generación, que utiliza partículas de arena como la bauxita para transferir calor hasta 1500 °C.

El estudio es uno de los primeros en dar una mirada integral a la integración de sistemas de componentes tales como polipastos y transportadores para transportar la arena. Encuentra que mover grandes cantidades de partículas calientes es factible, pero estos costos por sí solos podrían ascender hasta 1 centavo/kWh hacia el LCOE total del sistema si se necesita más de un polipasto o línea transportadora.

En cualquier momento, casi 3 toneladas de arena caliente estarían en caída libre durante unos 5 segundos golpeando la pila de abajo a 60 metros por segundo…  IMAGEN@Sandia 

Design and Technoeconomic Analysis of High-Temperature Particle Conveyance Components for a 100 MWe Concentrating Solar Power Plant propone que los diseñadores de sistemas utilicen métodos basados ​​en la gravedad siempre que sea posible para cumplir con el objetivo general de 5 centavos/kWh LCOE para 2030 establecido por el DOE de EE. UU.

¿Por qué arena?

Para una nueva generación de CSP de torre, se están investigando partículas de arena para capturar y transferir el calor solar. Debido a las temperaturas mucho más altas que la mayoría de las cerámicas pueden soportar, hasta 1500 °C, esto permite no solo una producción de electricidad más eficiente, sino también un reemplazo solar directo de los combustibles fósiles en industrias difíciles de descarbonizar. Estas industrias, como la producción de cemento y acero, generalmente requieren altas temperaturas, lo que hace que esta tecnología sea especialmente importante para cumplir con los objetivos generales de emisiones de CO2.

En esta tecnología, las partículas de arena caen a través de un receptor abierto en lo alto de una torre donde son calentadas por la luz solar concentrada reflejada en miles de espejos en un campo solar. Utilizando la gravedad, las partículas de arena caen a través del receptor a un contenedor de almacenamiento de energía caliente y a través de un intercambiador de calor a un contenedor de almacenamiento en frío en la parte inferior, y regresan a la torre para recalentarse y reanudar el ciclo.

Sin embargo, transportar tanta arena presenta desafíos de ingeniería, no solo para levantar la arena y 260 m de regreso a la torre, sino también para transportarla horizontalmente hasta donde pueda dejarse caer.

Entonces, una de las consideraciones clave es cómo mover tanta arena. Aproximadamente en la escala de 100 a 150 MWe en que esta tecnología solar se usaría para reemplazar comercialmente el calor de combustibles fósiles, esto supondrá más de 50 000 toneladas de arena en circulación continua. En cualquier momento, casi 3 toneladas de arena estarían en caída libre durante unos 5 segundos golpeando la pila de abajo a 60 metros por segundo.

Endeudamiento de la industria minera

En el nuevo estudio, los investigadores de Sandia se basan en la experiencia de los montacargas mineros para identificar el nivel de preparación técnica, los límites de rendimiento, los costos operativos y de capital y las pérdidas térmicas esperadas de los componentes de manejo y transporte de partículas disponibles comercialmente en la actualidad aplicables a la CSP basada en partículas.

«Observamos el transporte horizontal», señaló el autor principal Jeremy Sment. “¿Cuánto cuesta mover partículas horizontalmente al siguiente componente? ¿Cuánto va a costar realmente contener 50 millones de kilogramos de partículas a esta temperatura y elevarlas hasta lo alto de una torre de 250 metros? He trabajado con expertos en grúas basculantes, fabricantes de transportadores e ingenieros de diseño de silos y hemos llegado a la conclusión de que es posible y es consistente con los objetivos de costos de electricidad de SETO”.

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Agregó: “También analizamos los sistemas integrados en torres que mueven partículas por la fuerza de la gravedad, la maquinaria de transporte de derivación que de otro modo sería necesaria para mover partículas entre los componentes. Hemos desarrollado un modelo para el almacenamiento integrado en torres que nos dirá cuánto más material se requiere en las paredes de las torres para sostener esas partículas. Las estimaciones aproximadas sugieren que esto podría ser del orden de 9 a 13 millones de dólares de hormigón adicional, acero de refuerzo adicional, etc. para el sistema integrado verticalmente”.

Este diseño promete tener un LCOE más bajo; sin embargo, nunca antes se habían construido torres solares con grandes cantidades de almacenamiento y se necesita más trabajo para cuantificar el refuerzo adicional necesario para soportar todo el peso de las partículas que estarían contenidas dentro de la torre.

Un trabajo en progreso

Si bien los toboganes simples pueden parecer intuitivamente la opción más barata para descargar la arena, ya que dependen solo de la gravedad, los hallazgos de Sment tenían algunas sorpresas. Si se requiere agregar altura adicional a la torre para soportar una tolva desde el contenedor hasta el receptor, los costos adicionales de la torre podrían convertirla en la opción menos atractiva.

“Es posible que la torre del receptor para un sistema de partículas deba ser más alta para acomodar el radio de volteo de los contenedores, los contenedores de descarga, los conductos inclinados hacia los receptores y la altura adicional para un montón de partículas lo suficientemente ancho como para cubrir el ancho del receptor. ”, afirma el papel.

“Tienes que levantar el techo lo suficiente para colocar una tolva en la parte superior del receptor que pueda hacer fluir partículas hacia el receptor”, dijo Sment. “Eso es trabajo de acero costoso ahí dentro. Tan pronto como estas inclinaciones se vuelven tan altas que las paredes de la torre deben extenderse, los transportadores mecánicos comienzan a convertirse en la opción de menor costo para el manejo de partículas”.

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“Los resultados de la publicación anterior fueron algo deprimentes”, admitió. «Tuvimos que volver a calcular con algunas ideas diferentes que no dependían tanto de aumentar la altura de la torre que creo que son mucho más apropiadas para una meta de seis centavos a cinco centavos».

Un mejor enfoque podría ser hacer que un contenedor dentro de la torre arroje su carga de arena directamente en una caja sobre el receptor.

“No necesitamos transporte horizontal si estamos dentro de la torre, ya que el contenedor puede diseñarse para descargar directamente en el receptor”, explicó. “No sé si vamos a usar rampas. No sé si usaremos el transportador. Pero los costos de las torres deben entenderse bien para tomar realmente esa decisión”.

Una investigación similar de opciones comerciales determinó que el depósito de almacenamiento caliente debe estar encima del intercambiador de calor.

“Hemos considerado elevar el almacenamiento por encima de los intercambiadores de calor”, explicó Sment. “Porque en este momento hace demasiado calor para mover partículas de 800 a 1000 °C. Cualquier temperatura por encima de los 640 °C es probablemente prohibitiva sin las costosas aleaciones de metal porque no queremos que los sistemas de enfriamiento del transportador o la ventilación al aire libre absorban el calor de las partículas, por lo que están limitadas por el punto de ablandamiento del acero. Al elevar el depósito de almacenamiento, ahora puede descargarlo directamente en el intercambiador de calor, lo que reduce las partículas calentadas a unos 500 °C, donde se pueden mover de forma segura en un transportador de partículas”.

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Para hacer este transporte horizontal en la parte inferior de la torre después de que las partículas se enfrían, una empresa en Italia, Magaldi, con un Eco Belt de marca registrada podría manejar partículas a aproximadamente 640 °C, a capacidades de hasta 1800 toneladas por hora.

“Y los enumeraríamos en paralelo, para llegar a las capacidades que necesitamos. Y por algo del orden de $7 millones de dólares, podríamos usar 2 transportadores para mover 1000 kg/s de partículas desde debajo de los intercambiadores de calor hasta el depósito de almacenamiento en frío”, señaló.

Sment enfatizó que esta comparación tecnoeconómica de los costos del mundo real es un trabajo en progreso. A modo de ejemplo, el uso de dos grúas basculantes para levantar arena superaría los objetivos de costos del DOE. Pero un solo elevador de volquete se acercaría a los límites de peso de lo que tiene precedentes en la industria minera.

Además de enumerar los sistemas de transporte, también existen factores de diseño del sistema que pueden afectar las tasas de flujo; esto incluye el tipo de partícula, la temperatura de la partícula y la capacidad de almacenamiento de energía térmica. Estos cambios pueden afectar la elección del receptor o el intercambiador de calor, o pueden crear un trabajo de ingeniería en los componentes relacionados, lo que podría afectar el rendimiento óptimo, por lo que se necesitan más análisis de sistemas.

Hay muchas incertidumbres y se requiere más investigación y desarrollo, pero esto les da a los desarrolladores de CSP basada en partículas una idea de los costos y límites del sistema de circulación de partículas.