La transferencia de calor de sodio a Magnesia se prueba de almacenamiento

Jun 07, 2023

Publicado el5 de diciembre de 202211 de julio de 2023AutorSusan Kraemer

Prueba de prototipo de ladrillos de magnesia en el laboratorio de sodio a escala de mesa, financiada por ASTRI. Image@Desarrollo de un prototipo de almacenamiento de energía térmica en lecho compacto con sodio como fluido de transferencia de calor

Los investigadores solares están probando el almacenamiento de energía térmica en ladrillos cerámicos de magnesia apilados, utilizando un metal líquido; sodio, como fluido caloportador. Los ladrillos de magnesia se mantendrán en un lecho empaquetado en un único tanque de almacenamiento; por lo que contendrá el sodio líquido tanto en su estado caliente como “enfriado” (150°C) utilizando almacenamiento termoclina.

El procesamiento de concentración solar térmica (CST) para la industria pesada requiere materiales de alta temperatura. Tanto el sodio líquido como la magnesia son muy adecuados para este tipo de almacenamiento de energía a alta temperatura.

La necesidad de almacenar energía no se convirtió sólo en un problema con la energía renovable actual. El gas siempre se ha almacenado en enormes cavernas subterráneas. El petróleo se almacena en enormes tanques subterráneos y reservas nacionales de petróleo. El carbón se amontona fuera de las centrales eléctricas o espera a bordo de vagones de tren que se mueven lentamente a través de los continentes.

Se necesita almacenamiento para la red eléctrica. En CSP, la forma térmica de la energía solar, el almacenamiento es térmico; en sales fundidas calientes. Estos transfieren calor y lo almacenan también a unos 560°C. Este tipo de energía solar utiliza una central térmica para generar electricidad a partir de vapor, como una planta de carbón o nuclear. Estos sistemas de turbinas de vapor sólo necesitan una temperatura de unos 400°C.

Ahora, el almacenamiento es aún más crucial a medida que la energía solar térmica concentrada (CST) comienza a reemplazar la quema de combustibles fósiles para suministrar calor a los procesos industriales. Estos procesos deben realizarse las 24 horas del día, a temperaturas más altas, desde 800°C en adelante, tanto en verano como en invierno.

Para alcanzar temperaturas más altas, los investigadores del CST están investigando nuevas tecnologías para transferir calor y mantenerlo caliente. Una forma es dividir la tarea entre dos materiales. Un fluido más adecuado para transferir altas temperaturas puede calentar un material sólido que sea más capaz de almacenar el calor.

Por esta razón, los investigadores en el campo CST están investigando fluidos de transferencia de calor y materiales de almacenamiento térmico que funcionan bien juntos y pueden alcanzar temperaturas más altas.

Un equipo de la Universidad Nacional Australiana (ANU) propone probar una combinación novedosa. Su artículo, Desarrollo de un prototipo de almacenamiento de energía térmica en lecho empaquetado con sodio como fluido de transferencia de calor y una presentación de SolarPACES2022, describe su trabajo.

Están probando el sodio líquido como fluido de transferencia de calor y almacenando el calor en ladrillos de magnesia de bajo costo y calidad comercial, que como cerámica puede absorber y retener el calor mejor que la mayoría de las rocas. El sodio tiene un rango de trabajo entre 100°C y 800°C, mucho más caliente y un rango de trabajo mucho más amplio que las sales fundidas (290°C a 565°C).

"Por lo tanto, el sodio es potencialmente un fluido muy interesante para sistemas de alta temperatura debido a su capacidad a altas temperaturas y su amplio rango de líquidos", dijo el autor principal Joe Coventry, profesor asociado de la ANU. “Y los ladrillos de magnesia tienen buena estabilidad termodinámica en contacto con el sodio a 750°C. Además, son solo un producto comercial muy estándar que se utiliza como revestimiento refractario en la fabricación de acero. Puedes comprarlos al por mayor. No nos preocupamos en absoluto por el suministro”.

Siguiendo su modelado en FactSage identificando la cerámica prometedora; magnesia, el equipo construyó un prototipo a escala de laboratorio en el laboratorio de sodio de la universidad. Aquí se pondrá a prueba la precisión de las simulaciones del rendimiento de este sistema de lecho compacto.

En esta forma de almacenamiento de energía térmica, se empaquetan en un contenedor rocas, guijarros o arena que mantienen temperaturas muy altas. El material sólido se calienta mediante un fluido caloportador (gas o líquido). Gases como el aire o el CO2 supercrítico pueden transportar temperaturas muy altas.

Localizar las mejores cerámicas para lechos empaquetados con metales líquidos para el fluido de transferencia de calor es otra área de interés de la investigación de alta temperatura, por ejemplo en el Laboratorio de Metal Líquido del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), dirigido por Klarissa Niedermeier.

"El equipo de KIT realizó algunos de los primeros trabajos modelando el almacenamiento en lechos llenos de sodio", señaló Coventry. “Sin embargo, no creo que hayan llegado al punto en el que hayan identificado y probado una cerámica en particular como material de almacenamiento en lecho compacto compatible con el sodio. Entonces lo hemos hecho. Creo que somos los primeros en construir un prototipo con un material de almacenamiento a granel adecuado y de bajo coste, compatible con sodio, que creemos que podría ser adecuado para una aplicación comercial”.

Al utilizar la magnesia en forma de ladrillos, han propuesto una configuración compacta que se presta a la producción en masa con un producto fácilmente disponible. En la mayoría de los sistemas de lecho compacto formados por una pila de rocas o guijarros redondos poco rellenos, existe un problema potencial en el que, a través de ciclos térmicos sucesivos, los materiales tienden a empujar hacia afuera, tensionando las paredes del contenedor.

"Cuando llenas un tanque con piedras, éstas se hacen un poco más grandes a medida que se calientan", explicó. “Y las paredes se doblan un poco. Y cuando todo se enfría nuevamente, simplemente bajan un poco, y cuando se calientan nuevamente, empujan las paredes un poco más, un problema conocido como 'trinquete térmico'”.

El embalaje estructurado de ladrillos elimina el trinquete ya que los ladrillos permanecen apoyados entre sí. La ANU también ha probado la exposición de magnesia a 750°C durante períodos de hasta 500 horas y confirmó su estabilidad a altas temperaturas. No se ha observado cambio de fase ni daño estructural.

La ventaja del sodio a altas temperaturas se identificó hace mucho tiempo. En la energía nuclear avanzada, un reactor rápido refrigerado por sodio utiliza sodio metálico líquido como refrigerante. Pero después de que una fuga provocara un incendio en el centro de pruebas al aire libre de la Plataforma Solar de Almería (PSA) de España en los primeros días de la investigación solar, esta investigación sobre el sodio fue abandonada.

Luego, con el reciente aumento del interés en los procesos solares de alta temperatura, el sodio empezó a ganar impulso en la investigación. En Australia, Vast Solar está utilizando sodio como fluido de transferencia de calor en lugar de sales fundidas en su CSP planificada en Port Augusta. Esta planta modular dispone de fluido caloportador en múltiples torres receptoras calentadas por campos solares en serie.

"Vast Solar está más interesado en el sodio porque permite esa modularidad", explicó Coventry. “El sodio puede interconectar cada una de sus torres y transferir el calor a un bloque de energía central. La sal fundida no podría atravesar múltiples campos solares de esa manera porque es muy probable que se congele”. (La sal fundida es un líquido acuoso en su rango de funcionamiento entre 565 °C y 290 °C. Pero se vuelve sólida y se “congela” inamovible a temperaturas más bajas)

La forma en que el equipo mitiga el riesgo de incendio del sodio (así como el costo, que es más alto que el de otros candidatos) es minimizar la cantidad que utilizan. En la mayoría de los sistemas de almacenamiento en lecho compacto, la pila de rocas puede tener grandes espacios para que fluya el fluido de transferencia de calor. Con los ladrillos rectangulares, solo hay espacios estrechos entre cada uno. "Entonces, el sodio fluye a través de los espacios entre los ladrillos y de esa manera podemos esperar que el sodio esté muy por debajo del 5% del volumen total", explicó Coventry.

El sodio es relativamente caro. Por eso también tiene sentido utilizar la menor cantidad posible. Pero, ¿será eficaz una cantidad tan pequeña de fluido caloportador para absorber suficiente calor en el receptor solar y transferirlo a los materiales de almacenamiento térmico? En esta prueba esperan descubrirlo.

Almacenamiento en termoclina de HTF de sodio con ladrillos de magnesia que muestran la distribución espacial de la temperatura a lo largo del tiempo

Al igual que la investigación de Karlsruhe sobre el almacenamiento a alta temperatura de metales líquidos con otros materiales cerámicos, esta prueba se realizará en almacenamiento termoclino; donde tanto el frío como el calor se mantienen en el mismo tanque. La termoclina se refiere a esa región de temperatura mixta donde una capa superior cálida se encuentra con una capa inferior más fría. En el almacenamiento térmico, debe ser lo más pequeño posible, lo que requiere algo de ingeniería. Pero un sistema termoclina es más rentable que tener dos tanques, uno caliente y otro frío, ya que en la práctica uno de ellos está vacío en cualquier momento, lo que desperdicia costes de material de almacenamiento.

“Actualmente trabajamos mucho con HILTCRC, la iniciativa australiana de transición baja en carbono para la industria pesada. Lo que les interesa son temperaturas bastante altas, de hasta 1.200°C”, añadió.

“Cuando lo que se desea es calor, almacenarlo en cosas como camas llenas es mucho más barato que almacenar electricidad y luego convertirla nuevamente en calor. Las camas compactas son bastante sencillas de utilizar y creo que eso es atractivo para la industria. Por lo tanto, pretendemos trabajar bastante en el suministro de calor a nuestros grandes procesos industriales. Refinación de alúmina, fabricación de cemento, reducción de hidrógeno o mineral de hierro, y diversas industrias asociadas; "

Más información sobre la investigación de CST solar de Australia y el programa de transición baja en carbono de la industria pesada (HILTCRC)

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