En esta tecnología solar, la energía solar altamente concentrada calienta directamente un reactor solar e impulsa un proceso termoquímico, utilizando dióxido de carbono y agua como materias primas para producir gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. El gas de síntesis se puede convertir en combustibles líquidos para el transporte utilizando tecnologías establecidas como Fischer-Tropsch.
Reactor solar utilizado para la prueba de recuperación de calor en ETH Zürich. IMAGEN@A.Lidor
La mayor pérdida de energía en el proceso es el calor sensible requerido para calentar los materiales reactivos a temperaturas superiores a 1500 °C en cada ciclo. Pero hasta ahora, ninguna investigación ha incorporado con éxito la recuperación de calor para recuperar el calor perdido durante la termoquímica solar.
«Así que esta seguía siendo una de las preguntas abiertas», dijo el Dr. Alon Lidor, investigador asociado sénior en ETH Zürich , que trabaja con el profesor Aldo Steinfeld .
“Y ha habido muchas ideas teóricas a lo largo de los años, todo tipo de métodos de recuperación de calor, pero no para ir al laboratorio, construir un dispositivo e intentar que funcione”.
Ahora, el equipo ETH de Lidor ha diseñado una forma de recuperar este calor perdido. El equipo demostró la recuperación de calor a escala de laboratorio de 4 kW en condiciones de radiación térmica concentrada. Sus resultados se publicaron en Applied Energy en Recuperación de calor a alta temperatura de un reactor solar para la división termoquímica redox de H2O y CO2 .
Los combustibles solares fabricados de esta manera son una alternativa limpia a los combustibles fósiles
Los procesos impulsados por la termoquímica solar para fabricar gas de síntesis para el combustible de aviación solar de uso inmediato han despegado en los últimos cinco años, con demostraciones exitosas y derivados de investigaciones de laboratorio como Synhelion que comienzan a comercializarse.
La investigación termoquímica solar es crucial para los objetivos de mitigación del cambio climático porque la aviación y el transporte marítimo de larga distancia requieren combustibles líquidos con alta energía específica. Como tales, estos sectores son difíciles de descarbonizar. Hoy en día, estos sectores utilizan combustibles de origen fósil, como el combustible para aviones y el diésel.
Montaje del laboratorio del reactor solar
El equipo de ETH se basa en un proceso termoquímico exitoso que utiliza ceria en un ciclo de reducción-oxidación (redox) de dos pasos de un reactor solar. En el primer paso, se produce una reducción térmica utilizando la energía de la luz solar altamente concentrada, calentando el reactor a temperaturas de 1500°C y superiores.
Al mismo tiempo, una bomba de vacío reduce la presión en los reactores a unos diez milibares. El material reactivo (o material redox) utilizado es la ceria, una cerámica abundante y de probada estabilidad. Se instala dentro del reactor como ladrillos porosos similares a espuma para permitir que la radiación solar penetre mientras aumenta el área de superficie para la reacción química.
Bajo reducción térmica, se libera oxígeno de la ceria. Una vez finalizada la reducción, se detiene la radiación solar y el reactor se enfría pasivamente por debajo de los 1000 °C, expulsando el calor. Se introducen agua y dióxido de carbono. Reaccionan con la ceria, reoxidándola para producir hidrógeno y monóxido de carbono antes de que comience el siguiente ciclo. ETH ha demostrado previamente toda la cadena de producción para generar combustible de aviación (queroseno).
El reactor solar de 4 kW a escala de laboratorio que utilizaron es una cavidad aislada octogonal en una carcasa exterior cilíndrica de acero inoxidable. La abertura de 40 mm en el frente que recibe calor como flujo solar está sellada por una ventana de cuarzo de cuatro mm de espesor. La cavidad interior tiene aproximadamente 100 mm de diámetro y 75 mm de profundidad. Los ladrillos de ceria tienen un espesor de 35 mm y una masa total de 2788 g, creando la cavidad interior.
“Dijimos que está bien, tomemos un reactor en funcionamiento exitoso y tratemos de adaptar el almacenamiento de energía térmica y la recuperación de calor”, explicó Lidor. “Puede pensar, por supuesto, cómo mejorar y modificar el propio reactor. Pero hacer esto nos permitió ir directamente al laboratorio y no limitarnos a un estudio teórico.“
Esquema para el reactor solar ETH Zurich con recuperación de calor IMAGEN del papel Recuperación de calor a alta temperatura de un reactor solar para la división termoquímica redox de H2O y CO2 .
Cómo se lleva a cabo la recuperación de calor del reactor solar
Junto al reactor solar donde tiene lugar el proceso redox, se sitúan dos acumuladores de energía térmica. El calor recuperado del reactor se almacena en ellos y se utiliza en el reactor según demanda.
La recuperación de calor funciona agregando dos pasos adicionales al ciclo. Al final de la etapa de reducción, el reactor se encuentra a su temperatura más alta, 1500 °C. Se añade un paso de extracción de calor después de la reducción, en el que un fluido de transferencia de calor extrae el calor a alta temperatura del reactor. Este calor se almacena en la gran unidad de almacenamiento de energía térmica. Después de la extracción, sigue la etapa de oxidación como de costumbre, idéntica al caso sin recuperación de calor.
Una vez finalizada la oxidación, el calor almacenado en la gran unidad de almacenamiento de energía térmica se recupera en el reactor haciendo fluir aire frío a través de él. Dado que el aire sale del reactor solar con unos cientos de grados de calor residual, este se recupera en la pequeña unidad de almacenamiento de energía térmica. La recuperación de calor calienta parcialmente el reactor solar, por lo que el resto del paso de reducción y calentamiento a 1500 °C se realiza mediante luz solar concentrada, iniciando así el siguiente ciclo.
El tanque de almacenamiento térmico y la unidad de recuperación de calor debajo de él a la izquierda junto al reactor solar que recibe calor solar para realizar la termoquímica a la derecha IMAGE@A. Lidor
Cómo se ven el almacenamiento térmico y la recuperación de calor
Ambas unidades de almacenamiento de energía térmica son tanques cilíndricos aislados que sostienen tubos verticales con un lecho compacto de pequeñas esferas porosas de alúmina (hasta 5 mm) para almacenar el calor con el fluido de transferencia de calor que fluye hacia abajo a través de los tubos. Están cerrados por bridas en la parte superior e inferior, con termopares insertados en varios lugares para medir la temperatura. El fluido caliente entra por la parte superior cuando se carga el acumulador, saliendo frío por la parte inferior. Durante la descarga, la dirección se invierte, el fluido frío sale por la parte inferior y sale del tanque de almacenamiento por la parte superior a una temperatura alta.
“El diseño vertical tiene algunos beneficios; cuando el lado de alta temperatura está arriba, los efectos de flotabilidad están a nuestro favor”, comentó.
“El diseño vertical también es bueno para la estabilidad mecánica. Algunos experimentos en el laboratorio antes de mi tiempo usaron tubos horizontales en el tanque, pero se rompieron. Hay muchas tensiones y, en general, los materiales cerámicos son muy frágiles. Hay tensiones térmicas y mecánicas cuando tienes una temperatura alta en un extremo y una temperatura más baja en el otro, como es el caso de nuestra configuración”.
Para el fluido de transferencia de calor, para transportar el calor solar concentrado a través del sistema, el equipo eligió nitrógeno en parte por su facilidad de uso, pero también porque el nitrógeno no corroe el metal ni reacciona con la ceria.
«Recuperamos el calor del material redox caliente directamente, por lo que entra en contacto directo con la ceria», explicó Lidor. “Queremos extraer el calor, pero no queremos volver a oxidarlo sin darnos cuenta”.
Lo que logró el experimento
El equipo demostró el funcionamiento de la configuración completa y estudió su comportamiento, y demostró la extracción de hasta el 70 % del calor sensible a 1267 °C del reactor solar. Desafortunadamente, las pérdidas de calor entre el reactor y la unidad de almacenamiento de energía térmica impidieron cargarlo a temperaturas lo suficientemente altas como para demostrar la recuperación de calor en el reactor. Sin embargo, basándose en los valores medidos experimentalmente para cada paso, pudieron calcular el rendimiento de la configuración, así como estudiar su potencial de ampliación.
“Esto demostró que si podemos usar la recuperación de calor y minimizar esas pérdidas de calor sensibles, que son grandes en una configuración a pequeña escala de laboratorio pero se reducen con el tamaño, esto puede impulsar potencialmente la eficiencia”, dijo.
“Y con base en nuestras mediciones experimentales, no en un modelo puramente teórico, demostramos que, a mayor escala, podemos llegar a una eficiencia de combustibles solares de dos dígitos, lo que sería un récord que nadie ha logrado todavía”.
, solarpaces.org
