Almacenamiento térmico en centrales solares de concentración utilizando materiales low-cost basados en residuos industriales reciclados: reduciendo el coste del kWh de una forma sostenible

Tanto los slags férricos como el Cofalit® constituyen dos alternativas muy prometedoras dentro del almacenamiento térmico sensible, debido principalmente a su bajo precio, permitiendo reducir el coste del kWh producido en las centrales termosolares, y a la posibilidad de valorizar residuos industriales con gran impacto ambiental o tóxicos para el ser humano.

Autor: [Alfonso J. Carrillo del Teso – Instituto IMDEA Energía]

Con la iniciativa SunShot¹, el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) pretende que la electricidad generada mediante energía solar llegue a ser económicamente competitiva con otras formas de generación eléctrica al final de esta década.

Para ello, desde su anuncio en 2011, ha financiado más de 150 proyectos de investigación en cuatro áreas: fotovoltaica, solar de concentración, análisis de sistemas y costes e integración de sistemas; con el propósito de que el coste del kWh generado mediante energía solar, sin la ayuda de ningún tipo de subvención, sea de 0,06 $ en el año 2020.

Para la consecución de este ambicioso objetivo, en lo que respecta a energía solar de concentración, se están realizando actividades de investigación en los cuatro componentes principales de las plantas termosolares: colectores, receptores, bloque de potencia y almacenamiento térmico. Este último componente se presenta como uno de los mayores atractivos de la energía solar de concentración con respecto a las otras tecnologías renovables, ya que gracias al almacenamiento térmico se podrían solventar los problemas de intermitencia inherentes al recurso solar. Los objetivos marcados en esta área son los siguientes:

• Mejora de la transferencia de calor y del medio de almacenamiento térmico
• Coste de almacenamiento térmico < 15 $/kWh_t
• Eficiencia exergética >95 %
• Degradación del material por la corrosión < 15 µm/ año

Para lograr estos objetivos los esfuerzos en I+D se centrarán principalmente en el desarrollo de fluidos de transferencia de calor que sean estables a alta temperatura y en el desarrollo de nuevos sistemas y materiales para el almacenamiento de energía que cumplan con los objetivos técnicos y económicos fijados por el DOE.

Dentro de esta última área de investigación se están logrando importantes avances en los tres tipos de almacenamiento térmico existentes: sensible, latente y termoquímico. A pesar de ello, hasta la fecha sólo se ha implementado comercialmente el almacenamiento de calor sensible utilizando sales fundidas en la planta Gemasolar². Sin embargo, uno de los principales inconvenientes que presentan estas sales es su inestabilidad a altas temperaturas.

Una de las alternativas más atractivas que posibilita el almacenamiento térmico sensible a altas temperaturas consiste en el uso de materiales provenientes de residuos industriales reciclados debido al bajo coste que estos presentan. Este es el caso de los materiales cerámicos producidos a partir de las escorias férricas (slags), un residuo proveniente de la industria metalúrgica³. Los slags son la fracción no metálica del hierro fundido que, debido a su menor densidad, se forman de manera natural en la superficie de la masa fundida dentro del horno. Una vez enfriado, se obtiene un material cerámico principalmente constituido por óxidos de calcio, silicio, hierro y aluminio. Estos materiales cerámicos, de bajo precio (3,95 $/ton) y gran abundancia dentro del mercado estadounidense, fueron propuestos por Calvet et al³. para el almacenamiento térmico de energía. Para demostrar su viabilidad realizaron un estudio de sus propiedades físicas en el rango de temperaturas utilizado en las centrales solares de concentración. El resultado de este estudio demostró que este material reciclado es termoquímicamente estable hasta temperaturas de 1100 ºC, presenta un coste bastante bajo por unidad de energía térmica almacenada (0,21 $/kWh_t) y una capacidad calorífica por unidad de volumen igual a 63 kWh/m³ Por tanto, cumple con creces los objetivos fijados por el DOE para el almacenamiento térmico de energía.

Otro material propuesto para el almacenamiento térmico, proveniente del reciclado de residuos de alta toxicidad para el ser humano, es el Cofalit®⁴ (ver imagen). Este material se obtiene al realizar un tratamiento de vitrificación a residuos con contenido de amianto. El proceso de vitrificación, que se realiza mediante la tecnología de arco de plasma⁵,permite la completa fusión de las fibras de amianto al calentarlas a temperaturas cercanas a los 1500 ºC, destruyendo de esta forma todas las fibras tóxicas contenidas en el residuo.

El Cofalit® es un alumino-silicato de calcio, hierro y magnesio con diferentes impurezas dependiendo de su procedencia, presenta un coste de inversión muy bajo, es estable hasta temperaturas cercanas a los 1200 ºC y tiene la posibilidad de ser moldeado con la forma deseada. Este último factor es importante ya que una forma adecuada podría aumentar la transferencia de calor con fluido caloportador utilizado en la planta, y de esta forma permitiría paliar uno de los principales problemas que presenta este material debido a su baja conductividad térmica⁶.

Tanto los slags férricos como el Cofalit® constituyen dos alternativas muy prometedoras dentro del almacenamiento térmico sensible, debido principalmente a la escasa inversión inicial que suponen, hecho que influirá directamente en una reducción del coste del kWh producido en las centrales termosolares. Asimismo la posibilidad de valorizar residuos industriales con gran impacto ambiental o tóxicos para el ser humano se presenta como la otra ventaja más atractiva de estos materiales.

1. http://www1.eere.energy.gov/solar/sunshot/csp.html
2. http://www.torresolenergy.com/TORRESOL/gemasolar-plant/en
3. Calvet, N.;Dejean, G.; Unamunzaga,L;. Py, X. In Proceedings of the ASME 2013, 7th International Conference on Energy Sustainability & 11th Fuel Cell Science, Engineering and Technology Conference July 14-19, Minneapolis MN, USA; 2013
4. Py, X.; Calvet, N.; Olives, R.; Meffre, A.; Echegut, P.; Bessada, C.; Veron, E.; Ory, S. Journal of Solar Energy Engineering 2011, 133, 031008.
5. Calvet, N.; Gomez, J. C.; Faik, A.; Roddatis, V. V.; Meffre, A.; Glatzmaier, G. C.; Doppiu, S.; Py, X. Applied Energy 2013

http://www.torchprocess.com/images/stories/PDF/Product_sheet_Cofalit_June2008.pdf