Un equipo de investigación de una universidad ha desarrollado una forma única de proporcionar aire caliente directo para procesos de secado industrial utilizando energía renovable, mediante la combinación de colectores solares térmicos con un turbocompresor de la industria automotriz.

La instalación experimental con el colector solar Fresnel en la Universidad Carlos III IMAGE @ Antonio Famiglietti

“Gracias al uso del turbocompresor; que es un componente fabricado para impulsar motores térmicos como en automóviles y camiones, este es el primer calor solar para proceso industrial que es capaz de calentar directamente el aire con energía solar hasta 300ºC a 400ºC sin necesidad de fluidos caloportadores ”, explicó Mecánica. el ingeniero Antonio Famiglietti, miembro del Grupo de Investigación en Ingeniería Térmica, Energía y Atmósfera (ITEA) de la Universidad Carlos III de Madrid.

El grupo de ingenieros de la universidad tiene una estrecha colaboración con una empresa de ingeniería local; DEMEDE Ingeniería e Investigación enfocada al calor solar para procesos industriales.

Famiglietti es ahora un ingeniero de I + D en Demede, donde trabaja en el desarrollo de la innovadora tecnología de calor solar para aplicaciones comerciales, como un calentador de aire solar turboalimentado (T-SAH).

“El T-SAH calienta el aire ambiente directamente dentro del colector solar de concentración lineal”, dijo. “Reduciendo así la complejidad, los costes y el mantenimiento, así como su impacto medioambiental. El acoplamiento de los módulos solares con un turbocompresor permite el calentamiento directo del aire al mitigar el inconveniente del alto consumo de energía de bombeo, que suele surgir cuando se utiliza un colector concentrador lineal con aire como fluido caloportador ”.

El equipo ha publicado tres artículos sobre la idea en Applied Thermal Engineering , comenzando con un estudio de viabilidad: Producción solar directa de aire caliente a temperatura media para aplicaciones industriales en colectores solares de concentración lineal utilizando un ciclo Brayton abierto. Análisis de viabilidad

“Inicialmente trabajamos el concepto desde un punto de vista teórico, obteniendo un cribado general de la tecnología basado en simulaciones numéricas de la posibilidad de calentamiento directo del aire dentro de los colectores solares concentradores”, dijo.

“El calentamiento directo del aire con cilindro parabólico o Fresnel lineal no es una práctica actual en la ingeniería solar térmica, principalmente debido a la alta potencia de bombeo que requiere el aire para fluir dentro de los tubos de vacío de los colectores solares. Pero la tecnología que proponemos nos permite superar este principal inconveniente gracias a una configuración especial de ciclo Brayton, y al uso de un turbocompresor para evitar el consumo de energía auxiliar para el bombeo. Esto nos permitiría evitar el fluido de transferencia de calor y el intercambiador de calor y reducir los costos y la complejidad “.

Cómo funciona el T-SAH IMAGE @ A. Famiglietti et al, Grupo de Investigación en Ingeniería Térmica, Energía y Atmósfera (ITEA), Universidad Carlos III de Madrid

En 2021, el equipo publicó los resultados de las pruebas físicas del primer prototipo de T-SAH instalado en la Universidad Carlos III de Madrid, con un campo solar de 72 metros cuadrados de espejo Fresnel: Calentamiento solar directo del aire en el interior de colector fresnel lineal de pequeña escala asistido. por un turbocompresor: caracterización experimental

Este documento fue seguido de una evaluación numérica de la producción potencial de una planta a escala industrial con un campo solar de 633 metros cuadrados que suministra 330 MWh de energía térmica (aproximadamente 2060 horas al año) y suministra aire caliente en el rango de 300-400ºC durante el día. sin ningún consumo de energía externa para bombeo de aire, basado en un año meteorológico típico en Madrid.

El siguiente paso será probar la nueva tecnología a escala industrial.

“El conocimiento que obtuvimos durante estos años de investigación combinada teórica y experimental nos permite diseñar e implementar de manera efectiva una demostración a mayor escala, para probar la tecnología en el entorno real e integrarla en las instalaciones del usuario industrial”, dijo Famiglietti.

Cómo funciona

Básicamente, el campo solar de Fresnel lineal está acoplado a un turbocompresor que sopla aire caliente directamente en los tubos del receptor solar para calentarlo antes de entregarlo al proceso térmico industrial. No se necesita líquido de transferencia de calor ni almacenamiento. La idea es mantener la tecnología lo más simple posible para mantener bajos los costos.

“Un compresor aumenta la densidad del aire, minimizando las velocidades y las caídas de presión en el campo solar, por lo tanto, la potencia de bombeo necesaria para soplar el aire”, explicó Famiglietti.

“La turbina, instalada en la salida del campo solar, puede proporcionar la potencia de compresión y la potencia de bombeo cuando se alcanza la temperatura suficiente (450-550 ° C) en su entrada, lo que permite que el sistema funcione sin consumir energía externa para el bombeo. Se necesita un compresor auxiliar solo para arrancar transitorios y propósitos de control. El aire de salida de la turbina es de 300-400 ° C y está disponible para uso posterior en procesos industriales térmicos impulsados ​​por aire ”.

Normalmente, los colectores solares utilizan un fluido de transferencia de calor líquido para mover el calor a través de las tuberías del receptor solar, y luego se necesita un intercambiador de calor para transferir el calor al aire. Pero debido a que, en cambio, el turbocompresor empuja el aire a través de los tubos, esta innovación evita todos los costos de instalación, mantenimiento y reemplazo de un fluido de transferencia de calor y un intercambiador de calor.

Inicialmente, el equipo asumió que usarían colectores cilindro-parabólicos, que se comercializan ampliamente para la generación de electricidad en plantas de CSP, pero eran difíciles de encontrar a la escala necesaria y agregarían complejidad. Las ventajas del colector de Fresnel lineal incluyen que, debido a un reflector primario segmentado con seguimiento simplificado y espejos individuales que giran cerca del suelo, los problemas de carga de viento son insignificantes. Por lo tanto, los espejos solares Fresnel planos y de baja altura permiten instalaciones de campo solar en tejados industriales.

 

Viabilidad comercial

Todos los componentes están listos para usar. Los turbocompresores ya se producen en serie para la industria automotriz. Para los módulos Fresnel, recurrieron a otra nueva empresa española que ahora entrega módulos solares térmicos Fresnel prefabricados listos para conectarse, en contenedores del tamaño de un camión; Solatom.

El potencial industrial que ha investigado el equipo incluye empresas con procesos de alta demanda energética que necesitan aire como portador de calor. Uno de los procesos más comunes es el secado, para una variedad de materiales a distintas temperaturas. La biomasa, los alimentos, los lodos de depuradora, los residuos, la madera y los minerales deben secarse, y algunos productos terminados necesitan tratamiento con aire caliente durante el procesamiento, como el curado de la pintura.

El equipo es optimista sobre la viabilidad comercial de su calentador de aire solar turboalimentado para estas aplicaciones industriales.

“El consumo de calor en la industria es enorme, por lo que reemplazar el combustible fósil que hasta ahora se utiliza para su producción por una fuente de energía sostenible es un desafío de suma importancia para la transición energética”, dijo Famiglietti en nombre del equipo.

Los turbocompresores ya se producen en serie para la industria automotriz.

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