Transferencia de calor de sodio a magnesia obtiene prueba de almacenamiento

Apr 15, 2023

Publicado el5 de diciembre de 202210 de diciembre de 2022AutorSusan Kraemer

Prueba de prototipo de ladrillos de magnesia en el laboratorio de sodio a escala de sobremesa, financiado por ASTRI. Image@Desarrollo de un Prototipo de Almacenamiento de Energía Térmica en Lecho Empaquetado con Sodio como Fluido de Transferencia de Calor

Los investigadores solares están probando el almacenamiento de energía térmica en ladrillos cerámicos de magnesia apilados, utilizando un metal líquido; sodio, como fluido de transferencia de calor. Los ladrillos de magnesia se mantendrán en un lecho empacado en un solo tanque de almacenamiento; por lo que contendrá el sodio líquido en su estado caliente y "enfriado" (150°C) utilizando el almacenamiento de termoclina.

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

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

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

Ahora, el almacenamiento es aún más crucial a medida que la energía solar térmica concentrada (CST, por sus siglas en inglés) comienza a reemplazar la quema de combustibles fósiles para suministrar calor a los procesos industriales. Estos procesos deben funcionar las 24 horas del día, a temperaturas más altas de 800°C y más, en verano e invierno.

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

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

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

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

"Entonces, el sodio es potencialmente un fluido muy interesante para los sistemas de alta temperatura debido a su capacidad de alta temperatura y su amplio rango de líquidos", dijo el autor principal Joe Coventry, profesor asociado de ANU. "Y los ladrillos de magnesia tienen una buena estabilidad termodinámica en contacto con el sodio a 750 °C. Además, son solo un producto comercial muy estándar que se usa como revestimiento refractario en la fabricación de acero. Puede comprarlos a granel. No se preocupe en absoluto por el suministro".

Siguiendo su modelado en FactSage identificando la cerámica prometedora; magnesia, el equipo construyó un prototipo a escala de banco en el laboratorio de sodio de la universidad. Aquí probará la precisión de las simulaciones del desempeño de este sistema de lecho empacado.

En esta forma de almacenamiento de energía térmica, se empaquetan en un contenedor rocas, guijarros o arena que soportan temperaturas muy altas. El material sólido es calentado por un fluido de transferencia de calor, un gas o líquido. Los gases como el aire o el CO2 supercrítico pueden transportar temperaturas muy altas.

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

"El equipo de KIT realizó algunos de los primeros trabajos de modelado de almacenamiento en lecho empacado con sodio", señaló Coventry. "Sin embargo, no creo que hayan llegado al punto en que identificaron y probaron una cerámica en particular como un material de almacenamiento de lecho empacado compatible con el sodio. Así que lo hicimos. Creo que somos los primeros en construir un prototipo con un material de almacenamiento a granel de bajo costo compatible con sodio que creemos que podría ser adecuado para aplicaciones comerciales"

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

"Cuando llenas un tanque con rocas, se vuelven un poco más grandes a medida que se calientan", explicó. "Y las paredes se doblan un poco hacia afuera. Y cuando todo se enfría nuevamente, simplemente caen un poco, y cuando se calientan nuevamente empujan las paredes un poco más, un problema conocido como 'trinquete térmico'. "

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

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

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

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

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

El sodio es relativamente caro. Así que usar lo menos posible también tiene sentido. Pero, ¿será efectiva una cantidad tan pequeña de fluido de transferencia de calor para absorber suficiente calor en el receptor solar y transferirlo a los materiales de almacenamiento térmico? En esta prueba, esperan averiguarlo.

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

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

"Trabajamos mucho en estos días con HILTCRC, la iniciativa de transición baja en carbono de Australia para la industria pesada. Están interesados ​​​​en temperaturas bastante altas de hasta 1200 ° C", agregó.

"Cuando lo que se desea es calor, almacenar calor en cosas como lechos empacados es mucho más económico que almacenar electricidad y luego convertirla de nuevo en calor. Los lechos empacados tienen una operación bastante simple y creo que eso es atractivo para la industria. Así que estamos buscando para hacer bastante trabajo en la entrega de calor a nuestros grandes procesos industriales. Refinación de alúmina, fabricación de cemento, reducción de hidrógeno o mineral de hierro, y varias industrias asociadas;

Más información sobre la investigación CST solar de Australia y el programa Transición a bajas emisiones de carbono de la industria pesada (HILTCRC)

Agregar combustión de hidrógeno a un reactor solar para minería y procesamiento de minerales libres de carbonoInvestigadores australianos evalúan la viabilidad comercial de la calcinación solar de alúmina

Por favor revise su bandeja de entrada o carpeta de correo no deseado para confirmar su suscripción.

CategoríasNoticias y análisis de CSP