Materiales para receptores volumétricos de plantas solares de torre

Autora: [Mónica Álvarez de Lara Sanchez. CIEMAT]

En cualquier desarrollo tecnológico, la viabilidad de los sistemas pasa, entre numerosos factores, por la existencia, disponibilidad y selección adecuada de los materiales para su construcción.

En general, tanto el desarrollo de nuevos sistemas de producción de energía, como el aumento de la eficiencia de los ya existentes, implican un aumento de las temperaturas de operación. En el caso de la energía solar concentrada, una de las lineas principales de investigación está centrada ademas, en desarrollar una generación de centrales y sistemas termosolares que permitan la obtención de energía de forma más eficiente, gestionable y modular y, dentro de ésta, en la investigación en receptores solares volumétricos diseñados para su aplicación a muy altos flujos de radiación solar y alta temperatura. Estos receptores estás formados por estructuras porosas tridimensionales que reciben la radiación concentrada y transfieren el calor a un fluido, normalmente gas, que atraviesa la estructura. Los absorbedores volumétricos multiplican considerablemente la superficie de contacto entre el material del absorbedor y el fluido que lo atraviesa, permitiendo potenciar la transferencia de calor convectivo y, por ello, trabajar a grandes flujos solares. La elección de materiales cerámicos para los receptores volumétricos permite incrementar la temperatura de trabajo hasta 1200-1300 ºC, muy por encima de la temperatura típica de los metálicos, 700-800ºC.

La producción de electricidad a partir de estos sistemas se encuentra todavía en el umbral del desarrollo de su capacidad real ya que, actualmente, los sistemas comerciales de producción están funcionando tambien como proyecto piloto para propietarios, fabricantes, ingenierías y, en general, todo el sector involucrado en su diseño, construción y explotación. Una de las razones para esta falta de conocimiento preciso y experiencia en operación es la gran diversidad de diseños existentes.

Ademas, está demostrado que la viabilidad de un desarrollo tecnológico depende, entre otros factores, de la disponibilidad y selección correcta de los materiales para su construcción. Tanto el medio como las condiciones de operación, son factores determinantes en la resistencia del material construcción de un componente frente a los procesos de degradación que puede sufrir durante su vida estimada. Éstos han de ser tenidos en cuenta a la hora de establecer los principios de selección. Un primer criterio es el rango de temperatura en el que se quiera operar. Así, se están desarrollando diferentes tipos de absorbedores:

– Absorbedores volumétricos metálicos para uso entre 600 y 800^oC

– Absorbedores volumétricos cerámicos para uso entre 900 y 1200^oC

El empleo de aleaciones metálicas para la construcción de los absorbedores supone, una serie de ventajas que abarcan desde las puramente tecnológicas hasta las comerciales. Por una parte, las aleaciones metálicas han sido ampliamente estudiadas y desarrolladas para su utilización en multitud de aplicaciones industriales, por lo que existen aleaciones diseñadas específicamente para su utilización a alta temperatura en diferentes tipos de atmósferas (oxidantes reductoras, gases ácidos, …). Esto supone, que también el grado de desarrollo de los procesos de fabricación y conformado está muy avanzado, lo que implica que los costes de construcción y montaje de sistemas e instalaciones basadas en aleaciones metálicas son más reducidos.

Desde el punto de vista del rendimiento del absorbedor, para la selección de la aleación se tendrá también en cuenta el requisito de alta absortividad, es decir, materiales que tengan lo que se denomina una oxidación en “negro”. Las aleaciones mas utilizadas hasta la actualidad son los aceros inoxidables, con alto contenido en cromo y níquel, y algunas aleaciones de níquel, con alto contenido en cromo, ya que ambos elementos tienen capacidad para formar fácilmente óxidos de color negro.

Los absorbedores volumétricos cerámicos trabajan en el entorno de los 1000ºC, con focos localizados que pueden alcanzar 1400ºC y atmósfera oxidante. Estas exigencias reducen considerablemente los materiales candidatos para la fabricación de absorbedores, siendo los más adecuados las cerámicas oxídicas. De entre estos la alúmina sería un material ideal, por sus prestaciones y su bajo coste. Sin embargo es un material de color blanco, siendo sus características ópticas y de absortividad muy poco satisfactorias. No obstante, existen técnicas superficiales que permiten recubrir esta alúmina para otorgarle propiedades ópticas superficiales adecuadas, manteniendo el material base sus propiedades. También se pueden usar materiales cerámicos no oxídicos, cuyo problema fundamental radica en su baja resistencia a la oxidación, muy acusada en los nitruros. De la familia de los carburos cerámicos nos encontramos el carburo de silicio como el mejor. Este material posee una mayor conductividad térmica, así como mejores propiedades ópticas y de absortividad que la alúmina. Sin embargo, su oxidación puede iniciarse levemente a temperaturas muy inferiores a la de servicio, formándose una capa de óxido de silicio con comportamiento diferente al material base, que reduce la vida útil del componente.

 Por todo esto, existe una gran necesidad en aumentar el conocimiento y el desarrollo de materiales que permitan la obtención de energía eléctrica a partir de la radiación solar concentrada.