Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Autor: Remedios Párraga Casanueva Tutor: Cristina Prieto Dpto. Ingeniería Energética-Grupo termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Autor: Remedios Párraga Casanueva Tutor: Cristina Prieto Profesor Ayudante Doctor Dpto. de Ingeniería Energética-Grupo termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Proyecto Fin de Grado: Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Autor: Remedios Párraga Casanueva Tutor: Cristina prieto El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos A todas las personas que me han acompañado durante toda esta etapa, ofreciéndome su ayuda en todos los momentos por los que he pasado. Gracias en especial a mi familia por la motivación para conseguir todo lo que me he propuesto, a mis compañeros de grado por ser mi segunda familia durante todo este tiempo y a mis amigos de la infancia por confiar en mí. Además de todos ellos, a todos los profesionales de docencia con los que me he ido encontrando todos estos años ya que todos de una manera u otra me han enseñado tanto profesional como personalmente. Remedios Párraga Casanueva Sevilla, 2021 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 1: Evolución de la generación eléctrica renovable y no renovable peninsular. [5] 4 Ilustración 2: Evolución de la estructura de potencia eléctrica instalada peninsular (MW). [5] 5 Ilustración 3: Evolución de la producción de energia eléctrica renovable. [5] 5 Ilustración 4: Elementos de un módulo cilindro-parabólico. [14] 8 Ilustración 5: seguimiento al sol en una tecnología cilindro parabólica [15] 9 Ilustración 6: Esquema de los elementos de una tecnologia fresnel. [16] 9 Ilustración 7: Captador Disco Stirling. [17] 10 Ilustración 8: Campo solar de la tecnología de torre central. [18] 11 Ilustración 9: Central de almacenamiento directo [19] 12 Ilustración 10: Central de almacenamiento indirecto [19] 13 Ilustración 11: representación de la transferencia de calor del Therminol VP-1 según la temperatura según la temperatura a 2m/s [23] 20 Ilustración 12: comparación entre los coeficientes de transferencia de calor de las sales fundidas en función de la temperatura a 2m/s [23] 21 Ilustración 13: Coeficientes de transferencia de calor de metales líquidos en función de la temperatura a 2m/s. [23] 22 Ilustración 14: Comparación de los coeficientes de transferencia de calor de gases en función de la temperatura a una velocidad de 15 m/s [23] 22 Ilustración 15: Coeficiente de transferencia de calor del vapor en función de la temperatura para una velocidad constante de 15m/s [23] 23 Ilustración 16: composición de sal fundida en la solar almacenada a 500ºC, 560ªC, 580C y 600ªC purgada con un gas que contiene 0.2aatm de O2 en N2 [33] 38 Ilustración 17: Energía total del conjunto vs temperatura [35] 39 Ilustración 18: Desarrollo de una nano estructura dendrítica. [37] 40 Ilustración 19: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 565ºC en función del LCOE 46 Ilustración 20: simulación del campo solar a 565ºC 47 Ilustración 21: Resultados del campo solar a 565ºC 47 Ilustración 22: distribución y valores del campo solar a 565ºC 48 Ilustración 23: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 565ºC 48 Ilustración 24: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 575ºC en función del LCOE 49 Ilustración 25: Simulación del campo solar a 575ºC 49 Ilustración 26: Resultados del campo solar a 575ºC 50 Ilustración 27: distribución y valores del campo a 575ºC 50 Ilustración 28: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 575ºC 51 Ilustración 29: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 585ºC en función del LCOE 51 Ilustración 30: simulación del campo solar a 585ºC 52 Ilustración 31: Resultados del campo solar a 585ºC 52 Ilustración 32: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 585ºC 53 Ilustración 33: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 595ºC en función del LCOE 53 Ilustración 34: simulación del campo solara 595ºC 54 Ilustración 35: Resultados del campo solar a 595ºC 54 Ilustración 36: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 595ºC 55 Ilustración 37: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 600ºC en función del LCOE 55 Ilustración 38: simulación del campo solar a 600ºC 56 Ilustración 39: Resultados del campo solar a 600ºC 56 Ilustración 40: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 600ºC 56 Ilustración 41: Valores de los elementos del campo solar a una temperatura a 565ºC 58 Ilustración 42: Resultados de la central para una temperatura de 565ºC 59 Ilustración 43: Datos del campo solar de la planta. Manteniéndose iguales a los de la planta optimizada a 565ºC 59 Ilustración 44: resultados de la central que trabaja a 600ºC siendo el campo solar optimizado para un fluido que trabaje a 565ºC 60 Ilustración 45: resultados del campo solar a 600ºC 61 Ilustración 46: resultados de la una central a 600ºC 61 Ilustración 47: resultados de la central a 565ºC con un campo solar optimizado para 600ºC 62 Ilustración 48: resutados de la central a 575ºC con un campo solar optimizado para 600ºC 62 Ilustración 49 resultado de la central a 585ºC paa una central optimizada a 600ºC 63 xix Notación A* Conjugado c.t.p. En casi todos los puntos c.q.d. Como queríamos demostrar ∎ Como queríamos demostrar e.o.c. En cualquier otro caso e número e IRe Parte real IIm Parte imaginaria sen Función seno tg Función tangente arctg Función arco tangente sen Función seno sinxy Función seno de x elevado a y cosxy Función coseno de x elevado a y Sa Función sampling sgn Función signo rect Función rectángulo Sinc Función sinc ∂y ∂x x◦ Derivada parcial de y respecto Notación de grado, x grados. Pr(A) Probabilidad del suceso A SNR Signal-to-noise ratio MSE Minimum square error : Tal que < Menor o igual > Mayor o igual \ Backslash ⇔ Si y sólo si 1 2 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción La energía eléctrica lleva formando parte de nuestra vida desde hace mucho tiempo, de hecho somos incapaces de concebir nuestra vida diaria sin este tipo de energía. El aumento exponencial de la población ha sido el desencadenante de que la demanda de energía eléctrica aumente de forma considerada día tras día. La forma tradicional de la producción de la energía eléctrica ha sido mediante la quema de carbón, petróleo, gas natural y el uranio. En las últimas décadas se ha estado investigando otras formas de producción de energía más sostenible ya que las tradicionales generan dióxido de carbono el principal causante del calentamiento global del planeta. [1] A partir de este hecho, se empezó a indagar en otras formas de producción de energía dando lugar a las conocidas como energías alternativas como son las energías renovables. Este tipo de energía son todas aquellas producidas por el sol. Dentro de este sector encontramos la energía Eólica, de concentración, hidráulica y marina, fotovoltaica etc. Actualmente algunas de estas energías han llegado a ser competitivas. He de comentar que la tecnología fotovoltaica es la energía renovable más barata, siendo en la actualidad más barata que la tecnología convencional [2]. También cabe destacar que la energía solar de concentración es actualmente la única energía renovable que tiene un sistema de almacenamiento de energía para alta capacidad, mientras que la fotovoltaica tiene un buen sistema de almacenamiento en baterías para pequeñas capacidades. Para introducirnos en este tipo de energías renovables tenemos que destacar los acuerdos frente al cambio climático ya que estos son los promotores de que las energías renovables se vayan desarrollando cada vez más pues son las únicas capaces de solventar el problema de las emisiones de dióxido de carbono. Uno de los acuerdos más importante ha sido el acuerdo de París [3]. Este acuerdo entró en vigor el 5 de octubre de 2016. Los objetivos de este acuerdo son:  Mantener el aumento de la temperatura media mundial por debajo de 2ºC  Que las emisiones globales alcancen su nivel máximo cuanto antes  Realizar las reducciones rápidas para lograr un equilibrio entre las emisiones Para el último punto, la principal medida adoptada es el desarrollo de las energías renovables. Para ello se puso en vigor el Protocolo de Kioto en 2005. Los compromisos de este último se basan en:  Compromiso 2020: o 20% del consumo de la energía total proveniente de Energías Renovables o 20% reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero o 20% de mejora en la eficiencia energética  Compromiso 2050: o El 100% de la electricidad producida de Fuentes renovables o 80% de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero Estos hechos han provocado que las energías renovables cobren una gran importancia debido a las ventajas que presentan este tipo de centrales frente a las convencionales. No todo son ventajas, a 3 3 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP continuación plasmaremos las diferentes ventajas y desventajas de las energías renovables frente a las convencionales. Ventajas Tabla 1: ventajas de las energías renovables y no renovables [1] Energías Renovables Energías no renovables 1) Son inagotables ya que provienen de la naturaleza. Además, esto hace que este tipo de energías sea gratuita. 2) No son contaminantes por lo que son respetuosas con el medio ambiente. 3) Reducen la dependencia respecto a los combustibles fósiles. 4) Este tipo de energía son abundantes. Dependiendo del lugar que nos encontremos podemos encontrar más de un tipo de energía que de otra, es decir, hay lugares donde la radiación es mayor y en otros donde el viento. 1) Tienen un alto rendimiento y continuidad de aplicación. 2) Amplio campo de aplicación: generación de electricidad, transporte, industria y servicios 3) Se obtienen subproductos importantes para la industria Inconvenientes Tabla 2: Inconvenientes de las energías renovables y no renovables [1] Energías Renovables Energías No Renovables 1) Pueden tener un impacto Ambiental. Ejemplo: las aspas de los molinos de la energía eólica pueden dañar a las aves. 2) Costo elevado en algunas instalaciones 3) Son variables por lo que algunas no tienen continuidad 4) Necesitan grandes superficies para su instalación 5) Tecnología en desarrollo aunque existen maduras. 6) Son complementados con energía procedentes de fuentes contaminantes para el buen funcionamiento de la red eléctrica. 1) Contaminantes 2) No son inagotables, se están reduciendo las reservas fósiles en la tierra. 3) Generan dióxido de carbono 4) El combustible no existe en todos los lugares del planeta, lo que dá lugar a la importación de estos combustibles. 5) Incertidumbre en los mercados energéticos debido a las crisis. Introducción 4 4 Como vemos, las energías renovables tienen buenas ventajas frente a las convencionales pero también tiene unos problemas bastante importantes. Uno de ellos es la discontinuidad de este tipo de energías lo que hace que nos preguntemos como repercute este tipo de energías al mercado eléctrico. [4] Para la explicación de este apartado tendremos que explicar que existen centrales base y centrales puntas. Las centrales bases son aquellas que son capaces de trabajar continuamente proporcionando energía eléctrica de forma permanente mientras que las centrales puntas son aquellas que se ponen en marcha cuando la demanda de energía es alta. El tiempo de ponerse en marcha y regularse debe ser pequeño en las centrales puntas [4]. Según la REE (Red eléctrica Española), las centrales base son las centrales nucleares y térmicas y las centrales puntas son las renovables. A continuación veremos la evolución de la generación de energía eléctrica. Ilustración 1: Evolución de la generación eléctrica renovable y no renovable peninsular. [5] Como vemos en esta gráfica, la energía eléctrica producida por renovables varía de un año a otro. Esta variación se debe a la discontinuidad que existe en el recurso disponible. Además, la potencia eléctrica instalada en la península de energía renovable ha ido aumentando con los años. Esto se aprecia en la siguiente gráfica. 5 5 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Ilustración 2: Evolución de la estructura de potencia eléctrica instalada peninsular (MW). [5] La generación de energía eléctrica es muy variable, es importante decir que a día de hoy las energías renovables con mayor generación son la energía hidráulica y la eólica. Ilustración 3: Evolución de la producción de energía eléctrica renovable. [5] Según un estudio realizado y publicado por la Red Eléctrica Española en 2017, la energía eléctrica anual renovable fue producida en un 56.9% por la energía eólica, 21,9% por la energía hidráulica, 9.6% por la solar fotovoltaica y un 6.4% por la solar térmica. [5] 1.1.1 ENERGIA SOLAR La energía procedente de la radiación solar es actualmente la más esperanzadora ya que la tecnología es la más desarrollada y en el caso de la fotovoltaica es la energía más barata. A día de hoy conocemos dos tipos de tecnologías que se encargan de aprovechar la radiación solar, la tecnología de concentración (CSP) y la tecnología fotovoltaica. La energía fotovoltaica aprovecha la radiación difusa y directa por lo que no necesitarán los Introducción 12 12 El almacenamiento de energía térmica es un elemento importante ya que permite ofrecer electricidad distribuible a alta capacidad (MW). La operación con campo solar durante las horas diurnas permiten un funcionamiento directo de la planta para producir electricidad pero a la misma vez se va almacenando la energía excedente. La tecnología TES resuelve el desfase temporal entre el suministro de energía solar y la demanda de electricidad proporcionando una ventaja a las plantas CSP. Un sistema de almacenamiento está formado por tres zonas. Una de ellas es el material de almacenamiento, otra es el tipo de transferencia de calor (directo o indirecto) y por último el tanque de almacenamiento. El material de almacenamiento puede ser: almacenamiento de calor sensible, calor latente y almacenamiento termoquímico. En el primero la energía se almacena o se libera, mediante el uso de almacenamiento sólido o líquido, aumentando o disminuyendo la temperatura del fluido que depende en gran medida de la cantidad de fluido que tengamos, la capacidad calorífica específica y el cambio de temperatura, siendo en la actualidad el tipo de almacenamiento más usado en las centrales CSP. El almacenamiento de calor latente usa materiales de cambio de fase y el almacenamiento termoquímico es a través de reacciones químicas reversibles. [19] En las plantas CSP, las ventajas que se pueden obtener de que la unidad TES se encargue de calentar el fluido de trabajo del ciclo térmico en las horas donde no se produce energía en el campo solar pueden ser [7]:  Que el factor de capacidad se puede aumentar del 20 al 25% para CSP sin TES, hasta un 60-85% para CSP junto con una unidad TES.  La operación a carga parcial se reduce significativamente  Se aumentan los ingresos debido a la generación de electricidad en los picos de demanda. La tecnología TES de última generación integrada en las plantas cilindro parabólicas y de torre es el almacenamiento de energía sensible de dos tanques que usan sales fundidas (más comúnmente, sal solar). El proceso de almacenamiento térmico se produce mediante un fluido caloportador frío que se calienta a su paso por el campo solar y que se dirige hacia el tanque de almacenamiento caliente y se va llenando. El HTF procedente del campo solar se denomina HTF caliente. Si el HTF que llega al tanque caliente es el mismo que el sale del campo solar se denomina una central de almacenamiento de calor directo, es decir, no existe intercambiador entre la zona del campo solar y la zona de los tanques. En la siguiente imagen podemos ver un ejemplo de una central de almacenamiento directo. Este tipo de proceso es el más usado en las plantas de torre, empleando sales fundidas como HTF y fluido de almacenamiento. A diferencia del almacenamiento indirecto el costo de este es más barato ya que se elimina el intercambiador y aumenta la eficiencia general de la planta. Ilustración 9: Central de almacenamiento directo [19] 13 13 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Si para el mismo proceso anterior existe un intercambiador de calor entre el campo solar y la zona de almacenamiento, la central se denomina de almacenamiento indirecto. En este caso se usarán dos tipos de fluidos calo portadores, normalmente diferentes, en que se producirán el intercambio de energía entre ambos en el intercambiador. El HTF procedente del bloque de almacenamiento debe estar frío cuando entre en el intercambiador y el HTF procedente del campo solar entrará caliente para que el HTF que debe entrar al tanque caliente lo haga a la temperatura adecuada para poder almacenar la energía. Normalmente, en las plantas CSP, en concreto las cilindro parabólicas, usan este tipo de almacenamiento usando como fluido de almacenamiento las sales fundidas que son las que se calientan en el intercambiador de calor gracias al aceite que es el HTF suministrado desde el campo solar. Este método puede proporcionar calor si el campo solar no es capaz de generarlo. Se utiliza la sal caliente para calentar el aceite y poder evitar así la congelación del fluido HTF del campo solar. Ilustración 10: Central de almacenamiento indirecto [19] No solo existe almacenamiento con dos tanques, también existe el almacenamiento con un solo tanque conocido como almacenamiento de termoclina. La eliminación de un tanque permite una reducción de costos de aproximadamente el 35% en comparación con un almacenamiento con dos tanques. Este almacenamiento utiliza el método de la estratificación térmica para separar el fluido caliente del frío y un deflector se moverá dentro del tanque de forma horizontal para mantener el fluido caliente en la parte superior del tanque y el frio en la inferior. Pero este almacenamiento tiene algunos problemas para el diseño y funcionamiento como son la estabilidad del material de relleno en el ambiente de fluido caliente y distribución del flujo. [19] Como se ha comentado anteriormente el fluido más utilizado en el almacenamiento es la sal solar. La sal solar tiene una alta capacidad para el almacenamiento de energía a gran escala y a largo plazo. Es importante que el material utilizado para el almacenamiento de la sal solar tenga una estabilidad química al estar en contacto con la sal para la confianza de por vida y para el desarrollo de la tecnología de almacenamiento hacia temperatura más alta. La capacidad de almacenamiento es proporcional a la diferencia de temperatura máxima y mínima, concluyendo que una temperatura máxima más alta mejora la capacidad de almacenamiento y la eficiencia del bloque de potencia. La temperatura del bloque de almacenamiento depende de la tecnología CSP, si hablamos de una cilindro-parabólica y torre el rango de temperatura de almacenamiento será de 292-385ºC (temperatura limitada por la temperatura de descomposición del aceite térmico del campo) y 290- 565ºC respectivamente. Un estudio realizado por Abengoa Solar [19], donde se analizó la viabilidad, costo y desempeño de una planta cilindro parabólico con 6 horas de almacenamiento utilizando sales fundidas. En este estudio se obtuvo como resultado que la planta reducía el costo de almacenamiento en un 43,2%, el costo del campo solar en un 14,8% y el LCOE en un 9.8-14.5% respecto a una planta de petróleo Introducción 14 14 con therminol VP-1. Además, centrándonos más en el fluido calo portador, al tener como fluido de trabajo a las sales fundidas se obtendría mayor temperatura de salida del campo solar ofreciendo una mayor eficiencia del bloque de potencia y un sistema de almacenamiento de energía más barato. Para los sistemas de almacenamiento sensible el costo se reducirá a medida que aumenta la temperatura de operación. Esto se aprecia en la cantidad de sal que se necesita para una planta. Como podemos apreciar, en las centrales CSP el HTF es un elemento crítico en la instalación. Una de las principales mejoras que se obtienen al mejorar las propiedades del fluido caloportador es el aumento del rendimiento de la central. Este aumento está relacionado de forma directa con el aumento del rango de temperatura del fluido caloportador, a mayor temperatura máxima de trabajo mayor será el rendimiento del ciclo de potencia y por tanto se obtiene un menor coste de generación, ya que a igualdad de producción necesita instalar menos campo solar. El objetivo de este trabajo es estudiar los diferentes fluidos de trabajos y sus mejoras para ver como mejora la eficiencia de una central CSP. A continuación, entraremos en detalles de los fluidos HTF. 15 15 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP 2 FLUIDO CALOPORTADOR Las centrales termo solares actuales (CSP) están acopladas a cualquier tipo de motor térmico y casi todas las tecnologías CSP funcionan con algún tipo de fluido caloportador. El fluido caloportador es, como hemos explicado antes, el encargado de absorber la energía solar, transportarla y almacenarla en forma de energía térmica. Este fluido va por el interior del receptor y debe tener unas buenas características para cumplir su trabajo. Además, el fluido caloportador afecta al diseño de la planta y a la temperatura de trabajo deseada. Para la elección de un buen fluido calo portador necesitamos que este cumpla una serie de características [10]:  Alto rango de temperatura de utilización para maximizar la eficiencia. Baja temperatura de fusión y alta la de ebullición.  Un fluido que trabaje a altas temperaturas y a baja presión.  Una buena estabilidad térmica para evitar rotura de enlaces, deterioro fisicoquímico y evitar contacto con oxígeno en caso de fluidos inflamables  Baja viscosidad para reducir las pérdidas de carga y el tamaño de los equipos de bombeo o redes de transporte. Además, favorece el arranque de la instalación a temperatura ambiente evitando así el precalentamiento.  Es deseable que la conductividad térmica sea alta para mejorar así la transferencia de calor y reducir los gradientes de temperatura.  Punto de inflamación y temperatura de auto ignición que sean altos para evitar así la inflamación o la ignición espontánea del fluido.  Alta densidad de energía. Para maximizar la cantidad de energía térmica almacenada por unidad de volumen reduciendo así el espacio necesario para la instalación.  Agresividad baja frente a los materiales de la instalación baja para evitar daños en los diferentes elementos de la planta o en su defecto encarecer los materiales constructivos.  Toxicidad baja para minimizar cualquier daño sobre el personal o del medio ambiente y tener en cuenta la estanqueidad para los fluidos en caso de que sean tóxicos  Resistencia mecánica y química.  Dilatación influye en el diseño de los elementos de la central como son el vaso de expansión y el depósito de almacenamiento.  Bajo coste  Pérdidas térmicas bajas  Bajo impacto ambiental. Por lo tanto, a la hora de elegir un fluido calo portador, tendremos que comparar las propiedades anteriores para obtener el fluido más apropiado y óptimo. A continuación analizaremos y compararemos diferentes propiedades y diferentes fluidos caloportadores. Fluido Caloportador 16 16 2.1 Clasificación de los fluidos de transferencia Para empezar con este apartado, clasificaremos diferentes fluidos caloportadores según la temperatura máxima de trabajo. Esta clasificación se muestra de forma general para después profundizar. A continuación, se muestra una tabla con una pequeña clasificación: Tabla 3: diferentes fluidos calo portadores en función del rango de funcionamiento [20] Rango de temperatura (ºC) Fluidos calo portadores Mayores de 400 Gases de combustión, vapor recalentado, aire, sales fundidas, metales fundidos. 200-400 Gases de combustión, vapor recalentado, aire, fluidos térmicos 50-200 Vapor saturado, agua, agua sobrecalentada, aire 0-50 Agua, aire -30-0 Salmuera, glicoles, freones, NH3,SO2,CO2 -100-(-30) Metano, propano Menores a -100 Aire líquido, N2, H2 2.1.1 Estado del arte de los fluidos caloportadores Como se aprecia en la tabla anterior, existen muchos fluidos calo portadores, pero existen los conocidos como fluidos convencionales, que han sido los más usados hasta ahora. Entre ellos destacan agua, aceite, sales fundidas y vapor de agua. El objetivo del trabajo está en encontrar el fluido caloportador más apropiado para las CSP. Por este motivo introduciremos, analizaremos y compararemos diferentes fluidos calo portadores. 2.1.1.1 Fluidos caloportadores en aplicación comercial  El fluido más utilizado desde siempre ha sido agua sin necesidad de colocar un intercambiador y haciendo que la central sea de tipo directa. Pero actualmente se están utilizando otros tipos de fluidos caloportadores entre ellos se está investigando acerca de las sales fundidas ya que por las características de este fluido el rendimiento de la planta aumentaría. El desarrollo del uso del agua como fluido caloportador en las centrales CSP se realizó en Europa, Abengoa Solar construyó una planta cilindro-parabólica en la Plataforma Solucar [21]. Del agua cabe destacar que es respetuosa con el medio ambiente y que la fuga de agua en el campo solar no es un peligro a comparación de aceite térmico y las sales fundidas. Es importante comentar que el calor absorbido se produce durante el cambio de fase mejorando así la eficiencia térmica. Por otra parte y no menos importante, la temperatura de congelación del agua es menor que la del aceite y sales fundidas por lo que es más fácil mantenerla en estado líquido. Si hablamos de la corrosión, el agua es 17 17 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP menos corrosiva que los demás fluidos más comunes. Los problemas al trabajar con este fluido se presentan en el coste de la instalación cuando aumenta la temperatura de trabajo. Para temperaturas superiores a 200-250ªC, la presión de diseño necesaria (superior a la presión de vapor) encarece la instalación. [10]  Para mayores temperaturas de trabajo, uno de los fluidos caloportadores más usados es el aceite térmico, que presenta un rango de temperatura de trabajo en el campo solar entre 290-390ºC. Los inconvenientes del aceite térmico son su precio e inflamabilidad. Por otro lado tiene una estabilidad térmica de hasta unos 400ºC y debe trabajar presurizado por encima de 300ºC. Si se superan los 400ºC se produce el cracking en el fluido, descomponiéndose en subproductos ligeros y pesados que afectan a las propiedades del fluido. Los subproductos producen la formación de lodos, reduciendo así la eficiencia térmica y aumentando el costo del mantenimiento de la planta. Las ventajas de este tipo de fluido es que puede alcanzar su temperatura de trabajo con una presión más baja que el vapor de agua. Para trabajar a alta temperatura (mayor a 400ºC) se utiliza sales fundidas. [10] [21]  Las sales fundidas son una mezcla de sales inorgánicas de nitrato sódico y nitrato potásico (60%p y 40%p respectivamente) que tienen buenas propiedades térmicas y baja presión de vapor a altas temperaturas. Estas trabajan en el rango operativo entre 290-565 ºC mejorando el rendimiento energético. Las sales fundidas cubren un gran rango de temperaturas. Además se utiliza también como sistema de almacenamiento debido a sus buenas características químicas. Las demostraciones de los sistemas que utilizan sales fundidas se llevaron a cabo en el proyecto THEMIS en los años 80. Trabajar con este tipo de fluido pueden hacer que la eficiencia de conversión anual sea de 14-18 %. Las sales son más baratas que los aceites térmicos sintéticos y tiene bajo impacto ambiental. Por el contrario tienen una temperatura de congelación entre 220ºC y 240ºC, es decir, la temperatura de congelación de las sales fundidas está muy por encima de la temperatura ambiente. Actualmente se están buscando nuevas mezclas de sales de nitrato fundido que tengan un punto de fusión más bajo para minimizar los costes de los sistemas auxiliares de calentamiento y minimizar riesgos operativos por congelación de líneas. Además se busca que tenga mayor temperatura de trabajo que permitirá el aumento de la eficiencia sin que aumente el gasto de otros factores importantes. Un estudio realizado por Kelly y Kearney demostró que los gastos específicos para un almacenamiento directo son un 50% más bajos que para un sistema de almacenamiento indirecto debido a la reducción del tamaño de tanques y la ausencia de intercambiador. Las sales en comparación de los aceites son más baratas, menos contaminantes, no son inflamables y permiten que el tamaño de los tanques de almacenamiento sean menores. [10]  Generación directa de vapor que permite una temperatura de trabajo de hasta 400ºC a una presión de 100 atm. Tiene como ventaja que puede alimentar directamente la turbina de vapor sin ser necesario un intercambiador de calor. Los problemas de este fluido son, en primer lugar, que presentan grandes desafíos en el almacenamiento térmico. [10] Los fluidos mencionados anteriormente son los más usados en la historia de los HTF, pero con la evolución de las tecnologías se han ido conociendo posibles fluidos caloportadores. Por lo tanto, continuaremos haciendo una introducción a los demás fluidos calo portadores. 2.1.1.2 Medios de transferencia de calor innovadores. 2.1.1.2.1 Suspensiones de partí culas Los sólidos en suspensión tienen una alta capacidad calorífica, trabajan a temperaturas altas entorno a los 750-1000ºC y son químicamente inertes. Este aumento en la temperatura permite el uso de configuraciones avanzadas de ciclo de energía. Además, se obtendrá un aumento de la eficiencia, alcanzando un 45% y reduciendo el campo solar. Se debe de comentar que el calor específico es menor que él de las sales fundidas pero al tener una diferencia de temperatura mayor, aumenta también la densidad calorífica. [22] Fluido Caloportador 18 18 El principal escollo del uso de estos materiales de transferencia es el diseño de los receptores de partículas: Estos funcionan según diferentes tipos de circulación de partículas como pueden ser el lecho móvil, película descendente, lecho fluidizado burbujeantes etc. Los sistemas de absorción directa son muy atractivos ya que no necesitan ventanas y aceptan una densidad de flujo solar muy alta, aunque su principal defecto es la dificultad de controlar la estabilidad del flujo y las altas pérdidas por convección por lo que a día de hoy no hay un receptor de partículas de alta eficiencia validado. Los receptores de partículas sólidas de absorción indirecta aceptan una densidad de flujo menor pero son capaces de ofrecer un mejor control de la circulación de partículas dentro del receptor. [23]. Este componente aún se encuentra en desarrollo. 2.1.1.2.2 Fluidos supercrí ticos 2.1.1.2.2.1 sH2O Conocida también como agua supercrítica, que se caracteriza por estar a 374ºC y a una presión de 221 bar. Han sido utilizadas como fluido en centrales eléctricas convencionales durante muchos años. Debido a los problemas técnicos de alta presión y alta temperatura se dejó de utilizar. [23] 2.1.1.2.2.2 sCO2 El estado súper crítico del dióxido de carbono se produce a una presión de 73.8 bar y 304,5 K. El principal desafiante para este fluido de trabajo reside en el almacenamiento, se demostró que es inviable la compatibilidad de ambos ya que se requiere un intercambio de calor intermedio con un medio de almacenamiento separado. [23] 2.1.1.2.3 Metales lí quidos Los metales líquidos son fluidos calo portadores eficientes que podrían conducir a un mayor desarrollo de sistemas CSP. La ventaja de este tipo de fluidos son las temperaturas de funcionamiento que podemos alcanzar y los coeficientes de calor, ambos parámetros superiores a los HTF habituales. Estos aspectos hacen que el rendimiento de la planta aumente, además de producir una reducción en los costes, esto solo si comparamos a nivel energético y no tenemos en cuenta el coste de construcción. Estos fluidos tienen unas propiedades de corrosión altos por lo que hay que tenerlos en cuenta. El precio de los metales líquido suele ser alto. Además del Sodio y LBE, también existe el estaño líquido que tiene un alto potencial. Es importante indicar que tiene problemas de compatibilidad cuando se alcanza una temperatura mayor a 500ºC. Otros tipos de metales líquidos son el NA-K eutéctico (22% Na + 77,8%K) teniendo una temperatura de fusión y ebullición de -12.6ºC y 785ºC, respectivamente. [23] 2.1.1.3 Comparación de los fluidos caloportadores de mayor temperatura Una vez que hemos introducido los fluidos caloportadores, tanto los más conocidos como algunos innovadores, entraremos en más detalle para poder concluir cual es el mejor fluido calo portador. Como se comentó anteriormente, un fluido con mejores propiedades puede mejorar el rendimiento de la central y disminuir el coste de la generación de energía. Por este motivo, este apartado tiene como finalidad analizar diferentes fluidos calo portadores para poder concretar cuál puede ser el mejor fluido. Se estudiarán fluidos que alcancen mayores temperaturas de trabajo, sin olvidar las demás propiedades, ya que todas son determinantes a la hora de elegir un fluido caloportador. A continuación mostraremos una comparativa de los que son los mejores candidatos para ser un buen fluido calo portador. 19 19 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Tabla 4: Comparativa de diferentes propiedades de los fluidos calo portadores [Apuntes de clase] [21] Agua/ vapor Aire Sales solares Sodio liquido Potassium salt Aceite térmico Sal hitec XL (43%KN O3 + 42% Ca(NO3)2 +15% NaNO3 ) Salt hitec (53% KNO3 + 40% NaNO2 + 7%NaNO3) Tª De 0ºC hasta 250ºC De 0ºc hasta más de 1000ºc. se recomienda no usar el aire de 280ºc hasta 565ºc solidificaci ón a 220ºc de 97.82 hasta 540ºc de 63.2ºc hasta 756.5ºc de 12ºc hasta 400ºc a baja presión de 130ºc hasta 550ºc de 142ºc hasta 550ºc Estabilidad térmica hasta 200ºc alta buena a alta Tª alta buena a alta Tª hasta 400ºc buena a alta Tª buena a alta Tª Viscosidad baja baja depende del fluido, Tª baja baja media depende del fluido, Tª depende del fluido, Tª Conductivid ad térmica alta bajo baja alta alta baja na baja Capacidad calorífica (j/kgK) alta bajo alta alta alta alta alta alta Punto de inflamación y Tª de auto ignición no existe riesgo no existe riesgo para Tª altas si se tiene contacto con aire o agua sí sí para altas Tª para altas Tª Agresividad frente a los materiales de la instalación alto bajo sí si se tiene contacto con aire o agua sí sí sí sí Toxicidad no no sí sí sí sí sí sí Si analizamos la tabla anterior: o Los fluidos que mejor se adapta a un amplio rango de temperatura, que alcance altas temperaturas y baja presión son sales solares, sal hitec, salt hitec XL, Na líquido y K: estos dos últimos son los que tienen más alto el punto de inflamación y auto ignición. o La viscosidad de los fluidos caloportadores estudiados anteriormente son bajas, excepto el aceite, cuya viscosidad es mayor y las sales solares, Hitec y Hitec XL. La viscosidad Fluido Caloportador 20 20 depende de la temperatura. Por ello, si los fluidos trabajan a altas temperaturas la viscosidad es menor. o Las conductividades de todos los fluidos son bajas menos el agua, sodio y potasio. o Para un buen fluido caloportador, la capacidad energética ha de ser alta, este punto lo cumplen las sales solares, Hitec y Hitec XL además del sodio líquido y aceite. o Los únicos que no son tóxicos son el aire y el agua. Los fluidos calo portadores que presentan mejores características termo físicas para ser un buen fluido caloportador son la Sal Solar, Sal Hitec, Sal Hitec XL, Potasio y Sodio. Pero las propiedades termo físicas no son las únicas que tenemos que tener en cuenta para elegir un fluido caloportador. Antes de comparar las demás características y concluir un fluido, vamos a estudiar un parámetro importante para un buen fluido calo portador, el llamado coeficiente de película. 2.1.1.3.1 Estudio del coeficiente de pelí cula en los diferentes HTF En este apartado analizaremos distintos fluidos calo portadores desde otra perspectiva, no tanto como sus propiedades termo físicas. En este apartado entraremos a estudiar fluidos calo portadores tales como: Therminol VP-1, Sales fundidas, Metales líquidos, gases y vapor de agua. Para conocer más en detalle los diferentes fluidos calo portadores podemos hacer un análisis más exhaustivo de estos. Para este análisis nos centraremos en una de sus propiedades más importante, el coeficiente de película, h, este parámetro es importante porque representa la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido por unidad de superficie por unidad de diferencia de temperatura. Haremos el análisis respecto a esta propiedad ya que anteriormente hemos hecho un breve estudio de las propiedades termo físicas más importantes de un HTF. 1. Therminol VP-1: el coeficiente de transferencia de este fluido varía en función de la temperatura. Su coeficiente de transferencia varía según la siguiente gráfica: Ilustración 11: representación de la transferencia de calor del Therminol VP-1 según la temperatura según la temperatura a 2m/s [23] Como podemos apreciar el coeficiente convectivo en el aceite alcanza su máximo a una 21 21 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP temperatura cercana a los 600K, que corresponde a unos 326,85ºC 2. Sales fundidas: el coeficiente de transferencia aumenta con la temperatura con una inflexión a 700K. esto se debe a la caída de la viscosidad dinámica con la temperatura que se vuelve más lenta. Ilustración 12: comparación entre los coeficientes de transferencia de calor de las sales fundidas en función de la temperatura a 2m/s [23] Como podemos ver en esta gráfica la sal solar es un poco mejor hasta aproximadamente 750ºK (477ºC). Para la elección de qué tipo de sal se tendrá que analizar el rango de temperatura y el precio. Es importante saber que la Sal Hitec y la Sal Hitec XL son mejoras de la sal solar que explicaremos en apartados posteriores, por lo que a partir de ahora la comparación con los demás fluidos caloportadores se realizarán con la sal solar. 3. Metales líquidos Para los metales presentaremos el sodio y el LBE. El coeficiente de transferencia de calor del primero disminuye con la temperatura mientras que el LBE (eutéctico de plomo-bismuto) aumenta con la temperatura. Sales Fundidas 28 28 estabilidad de la mezcla. Las impurezas también afectan a la estabilidad térmica como pueden ser las trazas de Mg que aumentan las emisiones de NOx. El CO2 y el vapor de agua afectan a la química de la sal y si reaccionan con óxidos puede producirse la descomposición. [7] La estabilidad térmica también se mide mediante un análisis termo gravimétrico [25] [26] 3.1.1.1.3 Corrosio n Las impurezas y manipulación de sales pueden afectar a su comportamiento térmico y corrosivo. Las sales de nitrato son oxidantes a altas temperatura lo que se traduce a la producción de desafíos en la protección contra la corrosión en las centrales de concentración (CSP). La corrosión general implica la disolución uniforme de la superficie del metal, mientras que el ataque localizado ocurre en sitios específicos de una superficie de metal pasivo donde hay altas tasas de disolución local. La corrosión puede provocar falla catastrófica especialmente en plantas que operan a alta presión. La corrosión puede provocar grietas o pequeñas fugas. La resistencia a la corrosión de los materiales de la planta es uno de los problemas de ingeniería más desafiantes ya que la temperatura de las sales solares es alta y deben mantenerse por encima de la temperatura de congelación, 221ºC, para garantizar el estado líquido de estas. [15]. Las impurezas pueden acelerar el proceso de corrosión al actuar como catalizador que conduce a una corrosión más rápida. Estas impurezas pueden reducirse sometiendo las sales a una purificación rigurosa antes de su aplicación eliminando impurezas como óxidos, humedad residual y oxidantes potenciales. Las impurezas que se encuentran en la mayoría de las sales fundidas producen iones como O 2−, H + y OH que aceleran la corrosión. Los iones de óxido, iones de cloruro y humedad reaccionan con el cromo en el acero de los elementos conectores, disolviéndolo efectivamente y desestabilizando la capa protectora en la superficie del acero. La formación de Na2O y KO2 disminuyen la transferencia electrónica disminuyendo así el comportamiento corrosivo. [27] El óxido-anión es un agente oxidante agresivo sobre las superficies metálicas por eso, cuando la sal está en contacto con materiales de contención metálicos se puede producir oxidación del hierro y del cromo. Alguno de los componentes oxidantes de las sales de nitrato fundido, que aparecen debido a la presencia de óxido, peróxido y superóxido, son NO2- y NO3- y O2. El peróxido y el superóxido se forman mediante las reacciones con las especies de nitrato/nitrito: 𝑂2− + 𝑁𝑂3 −↔ 𝑁𝑂2 −+ 𝑂2 2− [7] 𝑂2 2− + 2𝑁𝑂3 −↔ 2𝑁𝑂2 −+ 2𝑂2 − [7] A las altas temperaturas de operación, los trabajos realizados son muy limitados sobre el tipo exacto de la especie de óxido. El agua también afecta a la corrosión por la formación de hidróxido, esto es importante porque la solubilidad del agua es mayor que la de otros gases. El agua, es capaz de consumir nitrito e impedir la formación de peróxidos y superóxidos. Las reacciones que sigue el agua son las siguientes. 𝑁𝑂3 −+ 𝐻2𝑂 + 2𝑒−↔𝑁𝑂2 −+ 2𝑂𝐻− [7] 𝑁𝑂2 −+ 𝐻2𝑂 ↔ 𝐻2+ 𝑁𝑂3 − [7] Por otro lado, la humedad aumenta la velocidad de corrosión y los óxidos mejora la basicidad de la masa fundida que afecta a la solubilidad de las aleaciones metálicas en la sal. [7] Las aleaciones con alto contenido de cromo a base de Ni y los aceros austeníticos con alto contenido de cromo tienen menores tasas de corrosión en sales fundidas. El cromo muestra una mayor protección contra la corrosión ya que produce una capa continua de óxido de cromo, pero a la vez las aleaciones con alto contenido en cromo son más caras. Además del cromo, encontramos que las aleaciones de aluminio inducen la formación de una escala protectora de óxido de aluminio que genera resistencia a la oxidación, sulfuración a altas temperaturas y corrosión. Tenemos varios métodos para conocer las diferentes tasas de corrosión. El más conocido es el 29 29 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP análisis gravimétrico que consiste en determinar la pérdida de masa. Si se combina con otros métodos para la caracterización de materiales como microscopía, espectroscopia y difractometría se puede saber qué tipo de corrosión es, reacciones y mecanismos químicos y cambios de material. La desventaja principal de este método es el tiempo que tarda en completarse, pueden llegar a meses. Otros de los métodos que se pueden usar para sales fundidas son los métodos electroquímicos como EIS (técnica de Espectroscopia de Impedancia Electroquímica) que se basa en el uso de una señal de corriente alterna que se aplica al metal (conocido también como electrodo) y una gran variedad de métodos volta métricos para evaluar las velocidades, mecanismos y reacciones de corrosión de las sales fundidas. EIS consiste en un análisis de materiales dónde la conducción iónica es el principal mecanismo de conducción. 3.1.1.1.4 Densidad Determina la capacidad volumétrica de almacenamiento de calor del fluido. Esta propiedad depende de la temperatura y de la presión, es este tipo de fluido la densidad sigue un comportamiento lineal y decreciente con la temperatura. [7] Para el funcionamiento del fluido en las plantas se necesita una alta densidad, de forma que la transferencia de calor entre fluidos sea alta al igual que la capacidad de almacenar la energía. Cuanto más denso sea el fluido menor serán los tamaños de los elementos de los elementos de la instalación. Pero que la densidad sea alta también se traduce en que el consumo energético de las bombas sea alto, traduciéndose en un aumento del costo de la instalación. Como tenemos en la tabla anterior, el valor de la densidad de las sales de nitrato fundido es de 1.7 g/ml La medición de la sal solar se realizó con un dispositivo fabricado a partir de la teoría de Arquímedes [26]. En este proceso se utilizaba un crisol, un cilindro y un alambre de platino. El cilindro de platino se conectó a una balanza electrónica mediante el alambre y se introdujo completamente en la sal fundida y los valores se registraron para diferentes temperaturas. Se pudo estimar la incertidumbre de la densidad a 0.0039g/cm3 . La tensión superficial de las sales de nitrato sobre el error total y la incertidumbre son insignificantes para la sal de nitrato [26]. La ecuación que sigue la densidad es: 𝜌 = 𝑚1−𝑚2+𝜎𝜋𝐷/𝑔 𝑉0[1+𝛽(𝑇−298)]3 [26] Dónde:  𝜌 es la densidad  𝑉0 es el volumen del cilindro de platino en el aire  𝑚1 es el peso del cilindro en el agua pura  𝑚2 es el peso del cilindro en las sales fundidas  𝐷 es el diámetro del alambre de platino  𝑔 es la constante de gravedad  𝑇 es la temperatura de las sales fundidas  𝛽 es el coeficiente de expansión lineal del platino 3.1.1.1.5 Difusividad Te rmica La difusividad térmica es el encargado de medir la velocidad a la que la temperatura cambia dentro de una sustancia, es decir, cómo de rápido un material o sustancia reacciona a un cambio de temperatura. Sales Fundidas 30 30 Para la obtención de este parámetro se realizó un análisis de flash láser en una atmósfera de helio. Para realizar esta medición con éxito es necesario realizar un pre tratamiento de la sal. El procedimiento de este análisis consistió en utilizar una muestra de polvo de sal de nitrato y prensarla antes de colocarla en un crisol de grafito. Este crisol, lleno de la sal de nitrato, se calentó y se mantuvo a la temperatura objetivo del estudio en un horno vacío durante media hora. Posteriormente, este se dejó enfriar y se volvió a repetir el proceso al menos tres veces. Este proceso se realizó para poder liberar la sal fundida de las burbujas de gas. Se calentó el fondo del crisol mediante un solo pulso de láser y la temperatura de la superficie frontal se obtuvo a través de un detector de infrarrojos. La incertidumbre de la difusividad térmica puede estimarse con un valor menor al 15%. [26] La difusividad térmica puede calcularse como: 𝛼 = 𝑘 𝐶𝑝·𝜌 [mm2 / s] [7] 3.1.1.1.6 Conductividad te rmica Que este valor sea alto produce un aumento de la eficacia de los procesos de intercambio de calor. Es un valor importante para el diseño de elementos de transferencia de calor como puede ser el intercambiador de calor y receptor solar. Para las sales de nitrato fundido la conductividad térmica es baja en el rango de temperatura de funcionamiento. La conductividad térmica sigue la expresión: 𝐾 = 𝑄·𝑑 𝐴·𝜕𝑇 Siendo:  Q: flujo de calor  d: espesor de la muestra  𝜕𝑇:diferencia de temperatura entre las superficies  A: Área de la sección transversal de la muestra. La conductividad térmica junto a la difusividad térmica son las propiedades más difíciles de medir. 3.1.1.1.7 Viscosidad Este valor está relacionado con el tamaño de los elementos de la instalación, conduciendo a una reducción del tamaño del intercambiador si este valor es bajo. Por otra parte, facilita el bombeo de los fluidos a través de las tuberías. A temperaturas altas, la viscosidad de los líquidos cambia solo marginalmente y no varía mucho con la composición. La viscosidad baja requiere técnicas sensibles y se pueden encontrar grandes errores. La viscosidad depende de las diferencias en el radio catiónico entre los iones participantes, es decir, dependen de las interacciones repulsivas entre los cationes que dan un resultado de mayores grados de libertad. La viscosidad de las sales puras es mayor que la de mezcla de sales. [7] Los problemas técnicos de aumentar la viscosidad muy cerca del punto de congelación no tendrán un papel importante debido al margen de seguridad de la temperatura de 30K. [7] Para la obtención de la viscosidad se utiliza el viscosímetro de cilindro coaxial rotacional, un dispositivo factible con una viscosidad de 1.6 a 20 cP a una temperatura inferior a 1273K. En un grisol de grafito se colocó la sal de nitrato que se derritió a una temperatura de estudio durante una hora para poder conseguir que fuese homogénea. Un cilindro se sumergió en la sal fundida se hizo girar a una velocidad determinada para que el flujo fuese laminar. La sal solar se calentó y se mantuvo durante una hora a la misma temperatura para poder medirse con precisión mediante un termopar. La incertidumbre de la viscosidad es menor al 2.5%. [26] 3.1.1.1.8 Calor especí fico Al igual que la densidad, determina la capacidad volumétrica de almacenamiento de calor del fluido. Es uno de los parámetros más importantes. El valor de este parámetro es importante también para obtener un balance de calor de los sistemas térmicos utilizando mediciones de fluidos caloportadores. El calor específico de la sal solar se describe como linealmente dependiente de la 31 31 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP temperatura. Los métodos estándar para medir el calor específico se encuentran en la norma alemana DIN 51007 y la estadounidense ASTM E1269-11. [7]. El proceso de ambas normas son tres pasos de medición. La primera medición es la de un crisol vacío. La segunda medición es la de la capacidad calorífica de una sustancia conocida por lo general zafiro, en el mismo crisol. Y la última medición es en el mismo crisol, limpio de zafiro, de la sal fundida. [7] Para terminar con este apartado, mostraremos una tabla donde encontraremos los efectos de las impurezas sobre las sales de nitrato: Tabla 8: Impurezas con sus fuentes conocidas y efecto sobre los mecanismos de degradación [28] Impureza Fuente Tipo de sal que se encuentra en: Efecto sobre el mecanismo de degradación Cloruro, Cl - Material de partida Nitratos, carbonatos, sulfatos Desestabiliza la capa de pasivación, lo que provoca el desconchado de las incrustaciones, aumenta las picaduras y la corrosión intergranular . Magnesio, Mg Material de partida Nitratos, cloruros, sulfatos, carbonatos Capaz de formar óxidos que mejoran la estabilidad de la sal e inhiben la corrosión. Calcio, Ca Material de partida Nitratos, cloruros, carbonatos Se desconoce el efecto sobre el mecanismo de degradación. Carbonatos Material de partida Nitratos Mejora la estabilidad térmica de la sal HITEC, disminuye la estabilidad térmica de la sal solar Sulfatos Material de partida Fluoruros, nitratos, carbonatos En las sales de nitrato, los sulfatos aumentan el potencial de corrosión, reducen el potencial de pasivación y disminuyen la temperatura de desconchado. Forman compuestos insolubles que obstruyen bombas y tuberías. Conduce a la formación de azufre, provocando fragilización en el acero y las aleaciones a base de Ni. Percloratos, ClO 4 - Material de partida Nitratos A altas temperaturas, se disocia en oxígeno y cloruro, ambos productos aumentan la corrosión. Nitrito, NO 2 - Material de partida Nitratos Potencialmente estabiliza el equilibrio de nitratos en un ambiente de oxígeno. Humedad, iones de hidrógeno e hidróxido, H 2 O, H + , OH - Material de partida, atmósfera Todas las sales La humedad es una fuente de oxígeno, impulsa la hidrólisis de los componentes de la sal / aleación. Conduce a la formación de ácido fluorhídrico en sal de fluoruro, ácido clorhídrico en sales de cloruro. Los ácidos reaccionan con los elementos de aleación, aumentando la corrosión. Actúa como catalizador para el transporte de elementos de aleación desde la pared de contención. Se considera el principal factor que impulsa la corrosión en las sales de cloruro. Sales Fundidas 32 32 Impureza Fuente Tipo de sal que se encuentra en: Efecto sobre el mecanismo de degradación Óxido, O 2− Material de partida, atmósfera Todas las sales El ión de óxido reacciona con elementos de aleación, por ejemplo, Cr, desestabiliza la capa protectora en la superficie del metal. El óxido aumenta la basicidad de la masa fundida, aumenta la solubilidad de los elementos de aleación. Oxígeno, O 2 Atmósfera - Cuando se disuelve en la masa fundida, aumenta el potencial de oxidación, lo que aumenta la corrosión. Mejora la estabilidad térmica de las mezclas de sal de nitrito / nitrato. Nitrógeno, N 2 Atmósfera - Disminuye la estabilidad térmica de las sales de nitrato. Argón, Ar Atmósfera - Disminuye la velocidad de corrosión. Cromo, Cr Producto de corrosión - Soluble en sal fundida. Ralentiza la corrosión cuando la cantidad de Cr en la sal fundida alcanza un límite de solubilidad. Manganeso, Mn Producto de corrosión - Soluble en sal fundida. Se desconoce el efecto sobre el mecanismo de degradación. 3.1.2 Descomposición de las sales de nitrato La sal solar se vuelve inestable alrededor de 565ºC produciendo iones de óxido que son altamente corrosivos produciendo una pérdida de masa significativa. Es decir, las sales de nitrato fundido se descomponen gradualmente con el aumento de la temperatura. [26] La descomposición de las sales de nitrato da como resultado la formación de nitritos siguiendo la siguiente reacción: 𝑁𝑂3 −↔ 𝑁𝑂2 −+ 1 2𝑂2 Las primeras investigaciones dieron lugar a una constante de equilibrio, debido a la reacción intrínseca de la mezcla equimolar de NaNO3 y KNO3: 𝐾 = [𝑁𝑂3 −] [𝑁𝑂2 −]· 𝑃 𝑂2 −1 2 Con esta constante, se obtuvo la conclusión de que la reacción inicial no origina inconvenientes por la formación de nitritos, produciéndose una disminución en el punto de fusión de la mezcla y la liberación del oxígeno del Sistema de almacenamiento. También, se produce la descomposición del ion nitrito en especies gaseosas que comprenden óxidos, hiperóxidos y peróxidos. Algunas reacciones que se producen son las siguientes [7]: 2𝑁𝑂2 −↔ 𝑂2− +𝑁𝑂 + 𝑁𝑂2 5𝑁𝑂2 −↔ 𝑂2− + 𝑁2+ 3𝑁𝑂3 − NO y NO2 son óxidos de nitrógeno que son los encargados de limitar la temperatura máxima de funcionamiento ya que agravan la corrosión. Además, la reacción que se produce con el CO2 atmosférico produce carbonatos siguiendo la siguiente reacción [7]: 33 33 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP 𝐶𝑂2+ 𝑂2− ↔ 𝐶𝑂3 2− La formación de los carbonatos puede producir problemas técnicos y agravar la corrosión debido a la formación de especies de óxidos. Los óxidos nitrosos que se producen de la descomposición de los nitritos pueden ser CNO, NO2, N2 y O2. El componente menos estable es el que determina la estabilidad térmica de la mezcla. Según la estabilidad térmica se puede decir que las mezclas que contienen cationes de metales alcalinos (Na, K, Li) son más estables que las mezclas que contienen metales alcalinotérreos (Ca). La estabilidad y la descomposición de la sal están directamente relacionadas ya que la variación de la estabilidad puede producir la descomposición [7]. Además de todos los casos anteriores comentados, las impurezas como pueden ser CO2 y el vapor de agua reaccionan con óxidos y pueden producir la descomposición. Como hemos visto, en estos apartados encontramos algunos problemas a la hora de utilizar sal solar como fluido caloportador. En la actualidad, se están desarrollando mejoras de la sal solar para poder combatir estas limitaciones. Por consiguiente, en el siguiente apartado comentaremos algunas mejoras que se pueden encontrar. Mejoras y desarrollo de las sales 34 34 4 MEJORAS Y DESARROLLO DE LAS SALES En el desarrollo y mejora de los sistemas de CSP se encuentran, el aumento de la temperatura de operación haciendo que la conversión de energía térmica en eléctrica sea más eficiente, disminuir las pérdidas de energía de los receptores y el uso de materiales de bajo coste. La utilización de las sales fundidas ha hecho que las centrales se enfrenten a problemas críticos y desafiantes de corrosión severa y menor capacidad de calor específico. Para ello se han realizado estudios para explorar mezclas alternativas de sal de nitrato que serán en las que nos centraremos. En primer lugar nos centraremos en mejorar la sal solar para que mejoren algunas de sus propiedades termo fiscas como son la temperatura de congelación, estabilidad, capacidad calorífica etc. Y en segundo lugar nos centraremos en diferentes métodos para poder aumentar la temperatura máxima de trabajo de la sal solar. 4.1.1 Mejoras de la sal solar Es importante resaltar que la adición de Ca (NO3)2 o LiNO3 podrían mejorar el rango de temperatura de trabajo y la resistencia a la corrosión. Esto se conoce como sales ternarias de las que comentaremos algunas en este apartado. Si hablamos un poco antes de introducirnos en los diferentes casos, el Ca (NO3)2 tiene un costo bajo y es capaz de reducir el punto de fusión de los nitratos. [9] Existen diferentes desarrollos o solucione de materiales alternativos para mejorar la aplicación: 1. Las nanopartículas pueden mejorar las propiedades térmicas, en especial la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica mediante la adicción mínima a la mezcla de sal y minimizando al mismo tiempo su efecto sobre la viscosidad. Dependiendo del fluido base, el efecto de la adición de estas nanopartículas podría tener resultados perjudiciales. La agregación de las nanopartículas a las sales fundidas potencian su calor específico ya que tienen mayores cambios en la capacidad calorífica específica con nanopartículas como líquidos iónicos, agua o etilenglicol. En la caracterización de los nanosfluidos varios parámetros pueden afectar al porcentaje de mejora de la conductividad térmica, calor específico y entalpía. Algunos de estos parámetros son: concentración en masa de las nanopartículas, dispersión y procedimiento de síntesis. Lo más importante de la adición de nanopartículas es que es diferente para cada combinación de sal, por lo que deben estudiarse para cada caso. Si nos centramos en las nanopartículas agregadas a los nitratos estas suelen ser tres: SiO2, Al2O3 y una mezcla de SiO2/Al2O3. Además de las anteriores se utilizan otras nano partículas como son MgO, TiO2, CuO, Fe2O4.Trabajando con diferentes concentraciones, se demostró, que con un contenido de nano partículas más bajo al 0.5% en peso usando SiO2 se obtenía un aumento de la capacidad calorífica específica del 15.89% y aumentando la temperatura de descomposición 18.6ºC y el punto de fusión disminuye 2.5ºC. Una solución prometedora es la utilización del MgO en concreto un 5% en peso de concentración ya que la estructura de la capa semisólida puede provocar una mejora en la capacidad calorífica específica. Estos casos se estudiarán más en profundidad para el caso de aumentar la temperatura máxima de trabajo de la sal [29] a. Además, esto podría ser un método contra la corrosión, diferentes estudios demostraron que la sal solar dopada con nanopartículas de Al2O3 o SiO2 pueden mitigar la corrosión contra el acero al carbón a una temperatura de 35 35 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP 390ºC. Pero también, la corporación de nanopartículas de TiO2 a la sal de nitrato binaria eutéctica puede disminuir la velocidad de corrosión del acero al carbono. Es decir, la grafitización por pulverización del acero al carbono y la adición de grafito a la sal de nitrato fundido podrían mejorar considerablemente la resistencia a la corrosión. b. La sal solar dopada con nanopartículas de MgO en diferentes concentraciones hizo que la viscosidad tuviese un resultado favorable y económico. La densidad de los nanofluidos experimenta un aumento del 0.87% con respecto la sal solar pura, pudiéndose así disminuir la cantidad de tubería por unidad de volumen. c. Nanotubos de carbón de paredes múltiples son un material de conductividad térmica alta. La conductividad térmica de la sal solar mejoró, en un estudio realizado, hasta un 50,88% y la capacidad calorífica también aumentó un 4.38%. La adición de nanotubos de carbón puede cambiar ligeramente las características del cambio de fase (punto de fusión y el calor latente de fusión) llegando a la conclusión que las nanoestructuras son la posible causa de modificar propiedades. 2. Mezcla de sal ternarias a. Un nuevo fluido calo portador llamado HITEC, es una mezcla de sal ternaria de NaNO3, KNO3 y NaNO2 tiene un bajo punto de congelación de 142ºC. La estabilidad de la HITEC salt se encontró hasta 450ºC en uso a largo plazo y de hasta 528ºC en uso a corto plazo [30]. Una desventaja es que necesitan utilizar gases inertes a temperaturas superiores a 350ºC para evitar la oxidación de nitritos al entrar en contacto con el oxígeno. [9]. A esta sal se le introdujo partículas de nano polvo de AL2O3 y compuesto de espuma de nano sal/cobre. El nano polvo de AL2O3 como la espuma de metal puede mezclarse bien con la sal pura de HITEC. La adición de nano polvo de Al2O3 puede disminuir la temperatura de fusión y aumentar la temperatura de congelación. Los calores específicos de las nano-sales mejoran con la adición de nanopolvo de Al2O3 ya sea en estado sólido como líquido. La desviación de la temperatura fusión/congelación del compuesto de espuma de nano-sal cobre es de 3,54ºC [31]. La mejora de la transferencia de calor mejora con ambos procesos, tanto con la adición del nano polvo como con la espuma de cobre. [31] b. Una nueva composición de la sal, conocida como la sal ternaria formada por una combinación de LiNO3-NaNO3-KNO3 proporciona un punto de fusión bajo. Las estabilidades térmicas a corto y largo plazo y la fiabilidad de la composición eutéctica es excelente. El punto de congelación de la mezcla eutéctica es inferior a 100ºC pero debido a la inestabilidad de la sal de nitrato de amonio a temperaturas mayores a 300ºC no se usan en centrales cilindro parabólicas. La adición del nitrato de litio proporciona una alta densidad energética convirtiéndola en una mejora importante respecto a la sal solar utilizada actualmente. Esto permite que se puede reducir los volúmenes de la sal. [9] [30] La adición del nitrato de litio a la sal solar mejora el desempeño de las sales fundidas, ampliando el rango de temperatura. La composición de esta nueva mezcla es de 25.9% en peso de LiNO3, NaNO3 Mejoras y desarrollo de las sales 36 36 tiene un 20.06% en peso y un 54.1% en peso KNO3 y una temperatura de 118ºC. La temperatura de esta sal es menor que la de la sal solar y la de la HITEC salt convirtiendo la mezcla eutéctica en un gran candidato para la aplicación de almacenamiento de energía térmica. Para determinar la fiabilidad de esta mezcla se realizaron diferentes estudios [30] de los que se obtuvieron las diferentes conclusiones:  En el estudio de la estabilidad térmica a corto plazo se produjo una pérdida de peso en el primer ciclo de calentamiento debido a la eliminación de la humedad. La excelente estabilidad térmica cíclica a corto plazo también se reflejó en el estudio de confiabilidad térmica.  Por otro lado, el estudio de la estabilidad térmica a largo plazo se realizó en cuatro etapas hasta una temperatura de 500ºC durante 6 horas mostrando una pérdida de peso de 8.57% en peso.  El límite superior de la estabilidad térmica se realizó mediante una medición isotérmica escalonada dando lugar a una temperatura de 435ºC. c. Otra sal ternaria estudiada [9] fue una mezcla compuesta por 44% en peso de Ca (NO3)2, 44% en peso de KNO3 y un 12% en peso de NaNO3, siendo el principal inconveniente la alta viscosidad. El parámetro de la viscosidad se puede controlar en las sales ternarias controlando el contenido de NaNO3. Por lo tanto la mezcla finalmente quedo con la siguiente composición: 60% en peso de KNO3, 22% en peso de LiNO3 y 18% en peso de Ca (NO3)2 teniendo un punto de fusión de 112ºC y unos valores de viscosidad razonables. Además de este se encuentran otro tipo de mezclas como Mg (NO3)2*6H2O + LiNO3 introduciendo KNO3 o NaNO3 que proporciona un punto de fusión bajo, alrededor de 55ºC, una entalpía alta pero una baja estabilidad térmica. Es importante comentar, que las sales ternarias tiene como objetivo mejorar el punto de fusión y el control de impurezas. 3. Se modeló [32] una nueva mezcla eutéctica cuaternaria de bajo punto de fusión que consta de nitratos alcalinos y nitrito de sodio. La densidad de esta mezcla disminuye linealmente con el aumento de la temperatura y la estabilidad térmica produce pérdida de peso insignificante. La capacidad de almacenamiento de energía térmica es mayor que la de la sal solar y que la sal HITEC. Este tipo de mezclas están siendo estudiadas para mejorar la capacidad de almacenamiento y por lo tanto tener una mayor eficiencia de conversión de energía y reducir los costes. Las características más deseadas son: bajo punto de fusión, densidad moderada, alta capacidad calorífica y excelente estabilidad térmica. Esta mezcla se prepara mezclando LiNO3, NaNO3, KNO3, NaNO2. El punto de fusión de la nueva sal eutéctica cuaternaria es mucho más bajo que el de la sal solar y la sal HITEC. Este bajo punto de fusión mejora la capacidad de almacenamiento gracias al aumento de la temperatura de trabajo. La capacidad calorífica de la mezcla aumenta con la temperatura independientemente del estado en el que se encuentre la mezcla, se obtiene un 7,8-16,9 % más de capacidad calorífica que la sal solar y la sal HITEC, respectivamente. Este aumento de la capacidad calorífica se traduce en una mejora en el potencial de capacidad de almacenamiento de energía para las aplicaciones de almacenamiento de energía solar térmica. El valor de la densidad de la mezcla es menor a la de la sal solar y la sal HITEC. Para la estabilidad térmica tenemos que hablar sobre corto y largo plazo. En el primero se muestra una pérdida de peso pero es tan insignificante que se puede decir que la 37 37 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP mezcla era térmicamente estable. Esta pérdida de peso se debe a las impurezas y humedad que presentaba la muestra. Se llegó a la conclusión que como la pérdida de peso fue tan insignificante la muestra tiene una excelente reciclabilidad del Sistema en toda su vida útil para la aplicación de almacenamiento de energía térmica. En la estabilidad a largo plazo, la pérdida de peso fue pequeña también dirigida a la eliminación de impurezas y humedad demostrando que la mezcla era estable hasta 623,15K. A partir de la temperatura de 698,15K no se produce pérdida de peso importante hasta 723,15K generándose una pérdida de peso de forma constante. Se obtuvo que a 773.15K la pérdida de peso es relativamente grande correspondiéndose a la descomposición de la mezcla cuaternaria. [32] La capacidad de almacenamiento de la mezcla cuaternaria depende del rango de temperatura de trabajo, la densidad y la capacidad calorífica. Se tiene una capacidad de almacenamiento superior a la de las demás sales, este valor es de 51,2% mayor a la de la sal solar en almacenamiento a corto plazo y 25,7% a largo plazo. Además de todas las mejoras que pueden producirse por los cambios anteriores, la modificación más interesante se encuentra en el aumento de la temperatura de operación. Como hemos comentado anteriormente, el aumento de la temperatura máxima de trabajo aumenta la eficiencia de la planta y por lo tanto reduce el precio energético. Por este motivo, el objetivo del siguiente apartado se trata del aumento de temperatura de la sal solar. 4.1.2 Aumento de la temperatura de la sal Aumentar la temperatura máxima de funcionamiento a 600ºC y mantener la estabilidad térmica tanto en el HTF como en los sistemas TES es uno de los desafíos más importantes. Las sales fundidas tienen propiedades termo físicas que no son ideales como es la capacidad calorífica específicas y conductividad térmicas. Los ciclos de energía de alta eficiencia que trabajan a temperaturas mayores a 600ºC, que pueden reducir el coste de la electricidad, se están desarrollando en las CSP y en la tecnología nuclear. Un aumento de temperatura afecta a los componentes de la central como es el campo solar y el diseño del receptor, la elección del fluido de transferencia de calor y el medio de almacenamiento y la selección del material. El aumentar la temperatura de 560ºC a 600ºC nos permite mejora la capacidad de almacenamiento pero también promueven reacciones de descomposición, entre ellos pueden encontrarse iones de óxido, que como hemos visto antes afectan a la corrosión. En este apartado vamos a analizar diferentes casos de la sal solar cuando aumentamos su temperatura por encima de los 565ºC.  El uso de nuevas sales, que comentaremos a continuación de forma breve, están limitadas debido a la corrosión y se encuentran lejos de ser utilizadas en las plantas. Por ello es interesante que las sales de nitrato puedan aumentar su temperatura y poder seguir utilizándolas. La utilización de la sal solar hasta 560-565ºC se debe a una corrosión inaceptable y la producción de gases tóxicos como son gases nitrosos. La utilización de la sal solar por encima de su temperatura máxima de funcionamiento se puede conseguir si los equilibrios químicos de las reacciones de composición se desplazan sistemáticamente al lado del reactivo. Para el desplazamiento hay que tener especial atención en la descomposición de la sal ya que se demuestra que la forma más factible de realizarlo sería un aumento de las presiones parciales de los gases O2 y NOx .Este proceso puede realizarse de dos maneras diferentes: la primera es el aumento de la temperatura de la sal solar en configuración abierta y la segunda en configuración cerrada. Mejoras y desarrollo de las sales 44 44 19% Ca (NO 3 ) 2 + 8% LiNO 3 + 6% NaNO 3 + 2 3% KNO 3 + 44% CsNO 3 sesenta y cinco N / A 500 N / A 1,22 (a 150 ° C) N / A 20% NaNO 3 + 10% LiNO 3 + 10% Ca (NO 3 ) 2 + 60% KNO 3 132 469 580 0.013 (a 300 ° C) 1,52 (a 390 ° C) N / A 10% NaNO 3 + 20% LiNO 3 + 10% Ca (NO 3 ) 2 + 60% KNO 3 107,7 N / A > 500 0,005 (a 300 ° C) 1,5 (a 300 ° C) 0,54 (a 300 ° C) 15% NaNO 3 + 18% LiNO 3 + 31% 2KNO 3 * Mg (NO 3 ) 2 + 36% KNO 3 102,3 N / A N / A N / A 1,67 (a 500 ° C) N / A 14% NaNO 3 + 18% LiNO 3 + 18% NaNO 2 + 50% KNO 3 94,3 430 500 N / A 1,66 (a 500 ° C) N / A 29,6% LiNO 3 + 13,2% NaNO 3 + 57,2% KNO 3 123 N / A 533 N / A N / A N / A Tabla 10: principales sales fundidas ternarias y cuaternarias en comparación con la sal solar [9] La temperatura máxima de operación no está validada para las mezclas de nitratos fundidos ternarios y cuaternarios [9] . Pero en el caso de que sí fuera posible elegir una mezcla de sal con mejores propiedades para utilizarse en las centrales CSP podrían ser la sal ternaria 20% LiNO 3 + 28% NaNO 3 + 52% KNO 3 y las dos cuaternarias 20% NaNO 3 + 10% LiNO 3 + 10% Ca (NO 3 ) 2 + 60% KNO 3 y 10% NaNO 3 + 20% LiNO 3 + 10% Ca (NO 3 ) 2 + 60% KNO 3 . Si atendemos a los valores de estas mezclas, son las que pueden conseguir, a la misma vez, temperaturas de congelación menores a la sal solar mientras la temperatura máxima de trabajo superan los 565ºC. Pero a su vez, la sal solar, presenta valores mejores de viscosidad, capacidad calorífica y conductividad térmica. Pero el que presenta valores más cercanos de estos parámetros respecto la sal solar es la mezcla cuaternaria 10% NaNO 3 + 20% LiNO 3 + 10% Ca (NO 3) 2 + 60% KNO 3 Por lo tanto, aunque la sal solar tenga mayor temperatura de solidificación que esta última mezcla, los demás parámetros son mejores en la sal solar. Concretamente la temperatura máxima de 45 45 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP operación, que buscamos que aumente, es mayor en la sal solar por lo que podemos concluir que todavía no existe una mezcla que presente mejores resultados que los que actualmente tiene la sal solar. Por ello, en el siguiente apartado simularemos una planta que tendrá como fluido caloportador la sal solar. Simulación 46 46 5 SIMULACIÓN En este apartado veremos cómo afecta, a una central CSP de torre, el aumento de la temperatura de la sal solar hasta los 600ºC. Para ello utilizaremos el programa SAM (System Adviser Model) dónde modelaremos una central. La simulación se divirá en dos, la primera parte se corresponde a encontrar cuales son los valores de los elementos del campo solar para diferentes temperaturas. Es decir, optimizaremos la central respecto el campo solar para cada temperatura. La segunda parte de la simulación se basará en utilizar la central optimizada a una temperatura de 565ºC y ver como varía la producción de la central al aumentar la temperatura máxima de funcionamiento hasta alcanzar los 600ºC. Para empezar, situaremos la central en Phoenix (Arizona). La central será una central de carga base (baseload), esto es, con operación nominal constante 24h 7 días a la semana. Para todos los casos, los pasos realizados serán los mismos. En primer lugar, haremos un análisis paramétrico del múltiplo solar y del LCOE. El múltiplo solar se elegirá para el menor LCOE, es decir, se elegirá en función del menor costo. Después de esto, optimizaremos el campo solar para el múltiplo solar óptimo, elegido del análisis paramétrico previo. Y por último simularemos la central y veremos los cambios que se producen para las distintas temperaturas. 5.1 Optimización del campo solar a diferentes temperaturas. En este apartado se analizarán cual es el campo solar más óptimo para cada temperatura. Estos serán independientes unos de otro, es decir, no se mantendrá ningún parámetro constante adrede como sucederá en los siguientes apartados. A continuación mostramos el análisis: 5.1.1 Sal solar a 565ºC En este caso, la temperatura máxima de funcionamiento de la planta es de 565ºC. Lo primero que realizaremos es el análisis del múltiplo solar. Se hizo el análisis para varios valores del múltiplo solar y para finalizar, se elegirá en función de los valores del LCOE. En la ilustración 19 se muestra los valores del análisis. Ilustración 19: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 565ºC en función del LCOE En el análisis paramétrico del múltiplo solar respecto al LCOE, para una temperatura 47 47 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP de 565ºC, el múltiplo solar óptimo es para un valor de 2.6 consiguiendo un LCOE de 11.019 cents/KWh. Una vez elegido el múltiplo solar, simularemos la central con este valor, que cambiará o no en los demás casos. A continuación, se muestra la optimización del campo solar, hecho mediante una simulación del programa. En esta optimización se obtienen diferentes caracterizaciones como es la altura de la torre, diámetro, número de heliostatos etc. Ilustración 20: simulación del campo solar a 565ºC En la ilustración 20 se muestra el proceso de la simulación para obtener los valores óptimos. A continuación se muestra los valores de la simulación. Ilustración 21: Resultados del campo solar a 565ºC Como se puede ver en la ilustración 21, en amarillo se encuentran los valores óptimos que debe tener la central. Estos valores cambiarán en este apartado para cada temperatura del fluido caloportador ya que la simulación adaptará de forma más correcta los valores de los elementos de la central. Simulación 48 48 Ilustración 22: distribución y valores del campo solar a 565ºC Como podemos ver en la ilustración 22 se puede ver las dimensiones del campo solar. Además, podemos ver cómo sería la central gracias a la imagen superior de este. Ilustración 23: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 565ºC Por último, una vez simulada nuestra central, podemos ver los parámetros más importantes que nos ofrece. Desde una producción de energía anual hasta el LCOE pasando por otros valores importantes. Al final de este apartado se compararán los valores para poder ver mejor los cambios que se producen. 5.1.2 Sal solar a 575ºC En este caso, diferencia con el caso anterior es el aumento de temperatura a 575ºC. De igual manera que el caso anterior, comenzaremos el análisis paramétrico para optimizar el múltiplo solar respecto el LCOE. 49 49 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Ilustración 24: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 575ºC en función del LCOE El resultado de este, el múltiplo solar elegido es 2.6, igual que el caso anterior ya que nos da el LCOE más bajo. Concretamente de 11.0912 cent/KWh. Después de esto, optimizaremos el campo solar con el valor del múltiplo solar obtenido. Ilustración 25: Simulación del campo solar a 575ºC En la ilustración 25 se muestra el proceso de la simulación, mientras que en la imagen siguiente se muestra los resultados del campo solar. Simulación 50 50 Ilustración 26: Resultados del campo solar a 575ºC Al igual que en el anterior caso, la optimización del campo solar nos da como resultado el número de heliostatos, diámetro de la torre, altura de la torre etc. Como vemos el valor de heliostatos disminuye a 8375 unidades mientras que la altura de la torre aumenta a 186,034 metros. A continuación, mostraremos una imagen con los valores de los elementos del campo solar y una simulación de cómo sería este. Ilustración 27: distribución y valores del campo a 575ºC Por último, simulamos nuestra central para tener los resultados. En la ilustración 28 podemos ver los resultados generales de la central. En este caso la energía anual producida aumenta respecto al caso anterior. 51 51 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Ilustración 28: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 575ºC 5.1.3 Sal solar a 585ºC Para este nuevo caso, la temperatura pasa a ser de 585ºC. Como en los casos previos, tenemos que hacer el análisis paramétrico del múltiplo solar. En este caso el valor es el mismo que en los casos anteriores, 2.6, ya que el LCOE es también el más bajo. Ilustración 29: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 585ºC en función del LCOE Los siguientes pasos, se tratan de optimizar el campo solar mediante una simulación. Los resultados de este análisis podemos verlos en las siguientes imágenes. En la ilustración 30 se muestra el proceso de simulación mientras que en la ilustración 31 corresponde con la optimización de los elementos del campo solar. Simulación 52 52 Ilustración 30: simulación del campo solar a 585ºC Ilustración 31: Resultados del campo solar a 585ºC En esta última imagen, podemos ver que la tendencia de los heliostatos es bajar respecto el caso anterior y la tendencia de la altura de la torre es subir. 53 53 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Ilustración 32: Simulación y resultados de una planta funcionando con sal solar a 585ºC Por último, la simulación de la central respecto a la optimización de esta muestra los resultados que se presentan en la imagen previa. Como se aprecia la energía anual producida tiende a subir. 5.1.4 Sal solar a 595ºC En este caso la temperatura se subirá hasta los 595ºC. Realizando los mismos pasos en los casos anteriores, el primero de todos es la obtención del múltiplo solar para el LCEO más bajo. En este caso, igual que en los anteriores, el valor de este será de 2.6. Ilustración 33: Análisis paramétrico del múltiplo solar a 595ºC en función del LCOE Simulación 60 60 Ilustración 44: resultados de la central que trabaja a 600ºC siendo el campo solar optimizado para un fluido que trabaje a 565ºC Una vez tenemos ambos casos podemos comparar. Tabla 12: comparación de una central optimizada a 565ºC Central a 565ºC Central a 600 ºC Producción de energía anual (kWh) 503.078.336 504.879.448 Factor de capacidad (%) 63.8 64.0 LCOE anual (cent/kWh) 8.79 8.69 5.3 Simulación manteniendo el campo solar constante para una central a 600ºC Por último, se analiza la sensibilidad de la variación de temperatura de la sal, ahora para una instalación diseñada a 600ºC y que baja posteriormente su temperatura de trabajo. En este caso actuaremos de forma similar al anterior pero con la diferencia de que la central modelo será optimizada a una mayor temperatura, más concretamente, utilizaremos la central que opera a 600ºC. En primer lugar, optimizaremos el campo solar para la central, que en este caso trabaja con sal solar a 600ºC. A continuación se muestran los valores de la central optimizada a 600ºC 61 61 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Ilustración 45: resultados del campo solar a 600ºC Después de obtener estos resultados, simularemos la central para obtener los resultados de la central. Ilustración 46: resultados de la una central a 600ºC En los siguientes casos iremos disminuyendo la temperatura y viendo cómo afecta esto a la producción de la central. Simulación 62 62 5.3.1 Resultados al disminuir la temperatura a 565ºC y manteniendo el campo solar de la central modelo de 600ºC Ilustración 47: resultados de la central a 565ºC con un campo solar optimizado para 600ºC 5.3.2 Simulación a 575ºC manteniendo el campo solar constante de 600ºC Ilustración 48: resultados de la central a 575ºC con un campo solar optimizado para 600ºC 63 63 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP 5.3.3 Simulación a 585ºC con el campo solar de la central modelo de 600ºC Ilustración 49 resultado de la central a 585ºC para una central optimizada a 600ºC Una vez que hemos simulado todos los casos, mostraremos en una tabla comparativa los resultados para el caso en el que la central está optimizada a 600ºC. Tabla 13: comparativa de una central a diferentes temperaturas con campo solar optimizado a 600ºC Central a 600ºC Central a 585ºC Central a 575ºC Central a 565ºC Producción de energía anual (kWh) 503.743.744 503.012.384 502.505.024 501.901.184 Factor de capacidad (%) 63.9 63.8 63.7 63.7 LCOE anual( cent/kWh) 8.74 8.75 8.76 8.77 Como podemos ver la tabla, la producción de energía disminuye a la vez que disminuimos la temperatura igual que sucede con el factor de capacidad. Además, el precio del kWh aumenta a la vez que disminuye la temperatura de la central. Por último, mostraremos de forma resumida en que se diferencia ambas simulaciones. Para ello utilizamos la central que trabaja con el HTF a 600ºC Simulación 64 64 Tabla 14: comparación entre una central optimizada a 565ºC y 600ºC cuyo fluido caloportador trabaja a 600ºC Central con campo solar optimizado a 565ºC Central con campo solar optimizado a 600ºC Producción anual de energía (kWh) 504.879.448 503.743.744 Factor de capacidad (%) 64.0 63.9 LCOE anual (cent/kWh) 8.69 8.74 Como vemos la central optimizada a 565ºC produce mejores resultados cuando el HTF trabaja a mayor temperatura. Se tiene que tener en cuenta que el tamaño de la central varía, es decir, una central optimizada a 565ºC tiene un tamaño mayor que una que trabaje a 600ºC por lo que trabajar en ambas a la misma temperatura tiene mejores resultados en la central con mayor tamaño. El tamaño de la central es mayor a 565ºC por las propiedades de la sal solar, a mayor temperatura menor cantidad de sal, debido a su densidad, y por lo tanto menor tamaño como ya explicamos anteriormente. 65 65 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP 6 CONCLUSIONES El objetivo de este trabajo ha sido determinar cuál es el mejor fluido caloportador para las centrales CSP. Para ello se han estudiado diferentes propiedades que puedan determinar el HTF óptimo. Un buen fluido caloportador debe de tener en su conjunto unas buenas propiedades como son: alto rango de temperatura de utilización, trabajar a baja presión con altas temperaturas, una buena estabilidad térmica, baja viscosidad, alta conductividad térmica, punto de inflamación y temperatura de auto ignición alta, alta densidad energética, baja agresividad frente a los materiales, toxicidad baja, resistencia mecánica y química, bajas pérdidas térmicas, bajo impacto ambiental y bajo coste. Como podemos ver no todas las propiedades son termo físicas, si no que se deben de cumplir otro tipo de propiedades que también son determinantes para un buen HTF. Existen distintos fluidos caloportadores en el mercado. Agua, generación directa de vapor, aceite y sales fundidas son los HTF más utilizados en la historia de las centrales CSP pero además, se conocen otros HTF como metales líquidos, fluidos supercríticos y suspensión de partículas. En el caso del agua su principal problema se encuentra en el aumento del coste de la instalación cuando la temperatura de trabajo máxima supera los 200ºC-250ºC. En el caso del aceite los problemas se encuentran en los peligros que se presentan debido la inflamabilidad, precio, inestabilidad térmica por encima de 400ºC y debe de estar presurizado por encima de 300ºC y que dan lugar a la descomposición del aceite en subproductos ligeros y pesados que alteran las propiedades del fluido. En el caso de la generación directa de vapor su principal desafío se encuentra en el almacenamiento térmico y las altas presiones que deben alcanzarse para trabajar a altas temperaturas. La suspensión de partículas se descarta como HTF debido a la dificultad de controlar la estabilidad del flujo y las altas perdidas por convección. Si hablamos de los HTF supercríticos, el agua supercrítica presenta problemas técnicos debido a la alta presión y su alta temperatura, mientras que el estado súper crítico del dióxido de carbono tiene como problema principal el almacenamiento, debido a la incompatibilidad entre ambos. Estos fluidos presentan problemas desafiantes en la instalación por lo que se descartan como un buen fluido caloportador, además, de que sus propiedades termo físicas no son las mejores. Esto nos lleva a concluir que metales líquidos y sales fundidas son los mejores candidatos para ser un buen fluido caloportador. Es importante recordar que para elegir un buen fluido caloportador deben de estudiarse propiedades no-termo físicas y las propiedades termo físicas. Comparando estos dos últimos HTF, se concluyó que la sal solar es el fluido con mejores propiedades en su conjunto ya que los metales líquidos producen mayor corrosión, problemas de seguridad que encarecen la instalación y mayor coste unitario que es inviable a la hora de utilizarlo como almacenamiento. Por otro lado, la sal solar presenta problemas en su temperatura máxima de operación, debido a la descomposición a partir de 565ºC. Este problema es el más investigado, ya que si se pudiese aumentar la temperatura máxima de trabajo de la sal solar se aumentaría la eficiencia de la instalación y disminuiría el precio del kWh. Para ello, en la actualidad se están realizando diferentes estudios y avances para aumentar la temperatura de la sal solar. Algunos de los avances que se nombran en nuestro estudio son: la adicción de nanopartículas, mezclas de sales cuaternarias y ternarias o conseguir el equilibrio de las reacciones mediante el sellado hermético en atmósfera abierta o cerrada. Actualmente, no existe ningún proceso que presente mejores resultados que los que actualmente tiene la sal solar ya que lo que hemos estado buscando es el aumento de la temperatura por encima de 565ºC. Por último, hemos hecho un análisis de lo que sucede cuando aumentamos la temperatura de la sal solar. Para ello hemos realizado una simulación de una central para ver cuáles son los cambios en la central. El subir la temperatura máxima de funcionamiento de la sal solar nos permite aumentar la eficiencia de la planta y reducir el coste energético. Esto se ha ido corroborando en la CONCLUSIONES 66 66 simulación. A medida que se ha ido aumentando la temperatura de la sal solar ha ido aumentando la producción de energía y el múltiplo solar sin mantener fijo el tamaño del campo solar. En los siguientes casos, mantendremos el tamaño de la central constante. Es importante comentar que si tenemos una central optimizada para una temperatura de la sal solar a 565ºC, el subir la temperatura a 600ºC aumenta la producción, el factor de capacidad aumenta y reduce el precio de la energía. En este caso la producción de energía es de 504.879.448 kWh. Por el contrario, tener una central optimizada a 600ºC manteniendo el campo solar y trabajar con las sales a esa misma temperatura, 600ºC, la energía producida es menor, concretamente 503.743.744 kWh. Esto se debe a que el tamaño de la central para 565ºC es mayor que la central optimizada a 600ºC. Por lo tanto lo más rentable es tener una central que está diseñada a una temperatura de 565ºC y aumentar la temperatura de trabajo de la sal para obtener así mejores resultados. Ya que aumentar la temperatura de la sal solar mejora la producción de energía, el factor de capacidad y disminuye el precio del kWh. . 67 67 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP Referencias 68 68 REFERENCIAS [1] J. Roldán Viloria, Energías Renovables. Lo que hay que saber, Ediciones Paraninfo, S.A., 2013. [2] «IEA,» Octubre 2020. [En línea]. Available: https://www.iea.org/reports/world-energy- outlook-2020. [3] «Web oficial de la UE,» [En línea]. Available: https://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_es. [4] «Rincón Educativo: Energía y Medio Ambiente,» [En línea]. Available: https://www.rinconeducativo.org/es/recursos-educativos/la-planificacion-energetica-en- espana#:~:text=Las%20centrales%20de%20punta%20se,es%20alta%20(horas%20punta). &text=Una%20vez%20puestas%20en%20marcha,que%20dejen%20de%20ser%20neces arias.. [5] R. e. d. españa, «Red eléctica Española,» 2017. [En línea]. Available: https://www.ree.es/sites/default/files/11_PUBLICACIONES/Documentos/InformesSiste maElectrico/2017/inf_sis_elec_ree_2017.pdf. [6] Iberdrola, «Iberdrola,» [En línea]. Available: https://www.iberdrola.com/medioambiente/que-es-energia-fotovoltaica. [7] S. S. N. U. M. H. T. B. Alexander Bonk, «Advanced heat transfer fluids for direct molten salt line-focusing CSP plants,» 2018. [8] H. P. A. R. M. A. B. U. R. A. B. Adnan Ibrahim, «Molten salts in the light of corrosion mitigation strategies and embedded with nanoparticles to enhance the thermophysical properties for CSP plants,» 2020. [9] J. G.-V. E. O. A. K. A. S. L. F. C. Angel G. Fernández, «Mainstreaming commercial CSP systems: A technology review,» 2019. [10] M. R. K. N. A. Yathin Krishna, «State-of-the-art heat transfer fluids for parabolic trough collector,» 2020. [11] K. L. W. Stein, Concentrating Solar PowerTechnology: Principles, Developments and Application, 2012. [12] «arsinger,» [En línea]. Available: https://arsinger.com/que-es-la-energia-termosolar-y- comofunciona/#:~:text=La%20energ%C3%ADa%20termosolar%20es%20la,de%20los%20ray os%20del%20sol.. 69 69 Pasado, presente y futuro de la sal solar en CSP [13] G. I. A. A. M. G. C. I. B. Alberto Giaconia, «Experimental demonstration and analysis of a CSP plant with molten salt heat transfer fluid in parabolic troughs,» 2020. [14] [En línea]. Available: http://centralestermosolares.50webs.com/DOCUMENTOS/Cilindro.html. [15] M. G. A. Soleimani Dorcheh, «Slurry aluminizing: A solution for molten nitrate salt corrosion in concentrated solar power plants,» ELSEVIER, November 2015. [16] [En línea]. Available: https://blog.structuralia.com/tecnologias-solares-termoelectricas. [17] [En línea]. Available: http://ventanadelaciencia.blogspot.com/2007/12/el-motor-stirling- en-aplicaciones-de.html. [18] [En línea]. Available: https://m.europapress.es/andalucia/noticia-cordobesa-refractaris- realiza-mision-inspeccion-torre-central-noor-energy-dubai-20200730122830.html. [19] N. S. T. S. B. M. B. R. J. G. W. W. S. F. B. Ming Liu, «Review on concentrating solar power plants and new developments in high temperature thermal energy storage technologies,» 2015. [20] C. P. Rios, Introdución a la tecnología CSP, 2020/2021. [21] A. A. P. V. B. Rajkumar Malviya, «A comprehensive review of different heat transfer working fluids for solar thermal parabolic trough concentrator,» ScienceDirect , September 2020. [22] H. B. I. P.-L. G. F. T. T. J. B. Huili Zhang, «High-efficiency solar power towers using particle suspensions as heat carrier in the receiver and in the thermal energy storage,» 2017. [23] L. S. D. G. H. Benoit, «Review of heat transfer fluids in tube-receivers used in concentrating solar thermal systems: properties and heat transfer coefficients,» ScienceDirect, Noviembre 2015. [24] A. T. M. N. C. D. S. S. T.Delie, «Thermophsical, environmental, and compatibility properties of nitrate and nitrite containing molten salts for medium temperature CSP applications: a critical review,» 2018. [25] X.-B. H. X.-Z. Tang, «chapter 11- Synthesis and Assembly Chemistry of Inorganic Polymers,» 2017. [26] J. C. ,. Y. J. X. A. Peng Zhang, «Evaluation of thermal physical properties of molten nitrate salts with low melting temperature,» 2017. [27] L. F. C. Ángel G. Fernández, «Molten salt corrosion mechanisms of nitrate based thermal energy storage materials for concentrated solar power plants: A review,» 2019. [28] M. S. K. L. L. G. H. R. G. W. T. A. Teng-Cheong Ong, «Review of the solubility, monitoring, and purification of impurities in molten salts for energy storage in concentrated solar power plants,» ELSEVIER, 2020.