La CSP de alta temperatura con almacenamiento de muy larga duración en partículas de bauxita puede completar la red 100% renovable, dice Cliff Ho, líder de investigación solar térmica de Sandia.

Cliff Ho en el sitio de prueba con las partículas de arena IMAGEN @ Sandia

Un laboratorio de investigación solar de EE. UU. Ha demostrado que una nueva e innovadora tecnología de energía solar concentrada (CSP) permite un funcionamiento a muy alta temperatura con un almacenamiento estable de energía térmica de larga duración.

Tres equipos de institutos de investigación y cadenas de suministro compitieron inicialmente en una competencia de tres años financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. Para desarrollar una CSP de alta temperatura de próxima generación con almacenamiento de larga duración; capaz de reducir el costo a 5 centavos por kWh y funcionar a 700 ° C para emparejarse con un ciclo de energía Brayton sCO2 de alta temperatura.

El equipo liderado por Sandia ganó el premio de $ 25 millones de dólares que ahora les ha permitido construir una planta piloto para demostrar a escala que cumplen con los objetivos de costo y rendimiento del DOE con su diseño, establecido en Descripción general y bases de diseño para la partícula Gen 3. Planta Piloto (G3P3) .

El aspecto novedoso del equipo de Sandia es que transferirá y almacenará el calor del sol en partículas, no en líquidos. La tecnología de partículas marca una tercera generación de CSP. Las primeras rondas de proyectos de CSP tuvieron transferencia de energía térmica de base líquida, ya sea en vapor, aceite caliente o sales fundidas con una temperatura máxima de ~ 600 ° C.

A nivel mundial, los ingenieros solares, incluido Sandia, han estado desarrollando una nueva forma de utilizar el calor del sol. En cambio, la energía solar se transporta y almacena en partículas, que se calientan por la irradiación solar de varias maneras, como al rotar en un receptor tipo “hormigonera” o al caer en un receptor abierto como lo está haciendo el equipo de Sandia. Un campo solar de espejos concentra la luz solar reflejada hasta un receptor en lo alto de una torre para calentar las partículas que llevan el calor a los tanques de almacenamiento y luego a un bloque de energía térmica para generar energía.

Durante los primeros tres años de la competencia, Sandia modeló un análisis tecnoeconómico de los diseños integrados para un sistema receptor de partículas en caída de alta temperatura de 1 MWt y mostró que incluso en una altura de caída pequeña de uno a dos metros y una velocidad de caída de entre Uno y siete kilogramos por segundo, la irradiancia directa permite velocidades de calentamiento de partículas muy altas y podría alcanzar temperaturas de partículas superiores a 700 ° C.

Con el premio, ahora tienen la oportunidad de resolver problemas de ingeniería a escala mediante la construcción del sistema y su operación durante miles de horas para probar el diseño, mientras encuentran y solucionan los problemas que aparecen con el tiempo. La torre se construirá en el sitio de prueba existente en Sandia que tiene un campo solar de helióstatos de 6 MWt.

“El objetivo de la planta piloto Gen 3 con las partículas es reducir aún más el riesgo de algunas de las áreas clave que no hemos podido probar de manera integrada”, dijo Cliff Ho, investigador principal de Sandia en investigación de energía solar térmica. “Lo primero es integrar todo, incluido el calentamiento de las partículas en el receptor y almacenar el calor en un contenedor de almacenamiento real con al menos 6 MWh de almacenamiento, y sacar el calor de las partículas y luego recircular esas partículas en el torre de nuevo. Así que lo demostraremos en un entorno operativo real con miles de horas de pruebas. Ese es el gran objetivo “.

Aunque literalmente es muy barata y tan duradera como los líquidos, la tecnología basada en partículas tiene la misma ventaja de almacenamiento de energía térmica que las sales fundidas sobre las baterías. Al igual que la generación anterior de almacenamiento de líquidos, la CSP basada en partículas puede almacenar calor de forma rentable y descargarlo durante muchas décadas de ciclos diarios.

Pero la nueva tecnología promete muchas ventajas sobre los líquidos debido a su estabilidad a temperaturas mucho más altas que permitirán las necesidades de almacenamiento de energía de larga duración de una futura red de más del 80% de energías renovables intermitentes.

Por qué las partículas son ideales para CSP de larga duración a altas temperaturas

Las partículas que propuso el equipo de Sandia son arena de bauxita, ampliamente utilizada comercialmente en la industria petrolera.

“Podría almacenar y mantener el calor en esas partículas durante días, si no semanas, si fuera necesario”, dijo, pero observó que probablemente la mayoría de las plantas de CSP probablemente descargarían energía todas las noches para producir energía para obtener ingresos. A diferencia de las sales fundidas, las partículas permanecen estables a altas temperaturas hasta 1000 ° C, lo que les permite ser utilizadas en procesos industriales solares que requieren altas temperaturas.

“Las temperaturas de funcionamiento de la CSP se han regido por los límites de temperatura de las sales de nitrato fundido. Se vuelven inestables a medida que se descomponen a unos 600 ° C, por lo que normalmente solo se calientan a 565 ° C ”, dijo.

También se debe evitar que las sales fundidas “congelen” el sólido a 290 ° C, por lo que tienen un rango de funcionamiento más estrecho. Además, los receptores en los sistemas de sales fundidas pueden quemarse cuando la luz solar demasiado concentrada crea puntos calientes en la tubería de metal a través de la cual fluye el líquido.

“Pero una de las grandes ventajas del receptor de partículas es que no estamos usando costosos receptores tubulares de metal”, señaló Ho. “Literalmente estamos dejando caer partículas dentro de una cavidad formada por paredes aislantes refractarias, que se pueden reemplazar de manera económica si es necesario. Nuestro receptor es una caja con una abertura a través de la cual entra la luz solar concentrada. Si sobrecalentamos la pared trasera o la abertura frontal, lo que hicimos en la prueba, se puede reemplazar fácilmente “. (Documento: Diseño de receptor y pruebas bajo el sol para G3P3-EE . UU. )

Del mismo modo, no es necesario aislar las tuberías y los tanques contra la congelación, la corrosión y las fugas. Almacenar estas partículas de bauxita es sencillo, simplemente caen en una pila en el tanque como en un silo de granos. Se utilizará una tolva de grano industrial para volver a subirlos a la parte superior de la torre para recalentarlos en el receptor. No necesitan un costoso calentamiento de trazas para evitar la congelación durante la noche.

“Van a trabajar tan pronto como abran por la mañana, todavía están calientes”, dijo. “La belleza de las partículas es que son autoaislantes, la conductividad térmica de las partículas es muy baja. Anticipamos que la pérdida de temperatura durante la noche puede limitarse a menos del uno por ciento o dos. Tal vez disminuyan algunos grados la temperatura de las partículas a granel en un sistema de almacenamiento grande “.

Respuesta rápida a los cambios de calor solar

El equipo ha probado y publicado artículos que describen cómo al controlar el cambio instantáneo de la tasa de flujo másico en el receptor, pueden hacer cambios de temperatura casi instantáneos, porque las partículas están siendo iluminadas directamente por la luz solar.

“Sobre el receptor tenemos una compuerta deslizante que controla la cantidad de partículas que fluyen hacia el receptor desde una tolva de alimentación de partículas. Esta compuerta deslizante se activa para que cuando el resplandor es alto, digamos que tiene toda la potencia del campo de helióstatos, puede tener una gran tasa de flujo másico de partículas para absorber la cantidad de energía que aumenta la temperatura a su punto de diseño, digamos 800 ° C ”, explicó.

“Ahora, imaginemos que pasa una nube y reduce la irradiancia que entra por la abertura. Podemos cerrar inmediatamente la puerta deslizante para reducir la cantidad de flujo de partículas. Entonces, aunque tenga menos irradiancia (menos energía ingresando a la apertura) debido a que tiene menos flujo másico de partículas, puede alcanzar las mismas temperaturas de salida “.

Línea de tiempo para comercial de 10 años

Ho tiene una visión a largo plazo de la comercialización. Él cree que esta nueva generación de CSP que almacena su energía térmica en partículas para el despacho de energía de larga duración estará disponible comercialmente dentro de diez años, mucho antes de que sea necesaria para completar una red de 80% de energías renovables intermitentes y baterías de corto plazo.

“Una vez que hayamos eliminado los riesgos del sistema basado en partículas y demostrado, en los próximos cinco años aproximadamente, para ese momento, de cinco a diez años, también se puede casar con un ciclo comercial de CO2”, señaló Ho.

El premio DOE está diseñado para emparejar la nueva tecnología CSP con un bloque de energía sCO2 que está siendo desarrollado simultáneamente por otro equipo. En el ciclo de sCO2 Brayton, el CO2 se ejecuta por encima de su temperatura crítica de 31 ° C y la presión de 7,39 MPa (1072 psi) dentro de un circuito cerrado para un bloque de energía de alta temperatura más barato, más simple y más eficiente, una porción grande y costosa de cualquier Planta Térmica. La industria nuclear también está interesada en este ciclo de energía.

“Creo que hay un fuerte deseo de desarrollar ese ciclo de energía de próxima generación”, dijo. “La turbina para un ciclo de energía de vapor de cien megavatios es grande y una turbina de CO2 supercrítico equivalente para cien megavatios sería solo una fracción del tamaño”.

Pero incluso si este ciclo de sCO2 aún no está disponible comercialmente en ese momento, la CSP de temperatura más alta del equipo de Sandia aún puede emparejarse con un bloque de energía de vapor.

“Aunque tiene el potencial de llegar a 1000 ° C, aún podría calentar vapor hasta alrededor de 600 ° C usando partículas, como en una planta de CSP de sal fundida convencional”.