Nuevos fluidos de transferencia de calor en las tecnologías de concentración solar

Autora: María Isabel Roldán Serrano. CIEMAT-Plataforma Solar de Almería

 La energía solar térmica de concentración (ESTC) es considerada como una de las tecnologías claves en el camino hacia la búsqueda de fuentes de energía renovables y limpias. Por ello, existe un amplio trabajo de investigación focalizado en mejorar el rendimiento obtenido de las instalaciones de concentración solar. En dichos sistemas, la radiación solar es concentrada mediante el uso de espejos (heliostatos y concentrador) sobre un receptor, donde existe un fluido que capta y transporta el calor. Dicho fluido puede usarse directamente en una turbina o combinarse con un intercambiador de calor y un ciclo secundario (Rankine) para generar vapor (ver Figura 1).

El fluido de transferencia de calor (HTF) es uno de los componentes más importantes en el rendimiento global y eficiencia de la planta ESTC; por lo que es necesario encontrar fluidos de trabajo de bajo coste y máximo rendimiento. Así, un HTF apropiado debe tener un bajo punto de fusión, alto punto de ebullición y estabilidad térmica, baja presión de vapor a altas temperaturas    (< 1 atm), baja corrosión con aleaciones metálicas usadas en los tanques de almacenamiento, baja viscosidad, alta conductividad térmica y alta capacidad calorífica para almacenamiento de energía [1].

Figura 1. Principio de operación de un sistema de concentración solar típico [1]

Los fluidos de trabajo más utilizados en las plantas ESTC comerciales son aceite o vapor con el fin de transferir la energía hacia el bloque de potencia. Estos fluidos poseen propiedades que limitan el rendimiento de la planta; ya que, por un lado, el aceite tiene el límite máximo de temperatura de trabajo en 400ºC, mientras que la generación directa de vapor requiere un control complejo que limita la capacidad de almacenamiento. Para superar estas limitaciones, se están realizando trabajos de investigación basados en la aplicación de fluidos alternativos dentro de los sistemas ESTC [2].

Con tal fin, se están desarrollando nuevos diseños de receptores que permiten alcanzar eficiencias mayores usando ciclos de potencia avanzados, tales como los ciclos Brayton de lazo cerrado con dióxido de carbono supercrítico (s-CO₂) que es calentado directamente en receptores tubulares capaces de soportar altas presiones y temperaturas de fluido (alrededor de 20  MPa y 900 K) [3][4]. Debido a las altas presiones necesarias para mantener la condición de supercrítico, no es posible utilizar el s-CO₂ en tecnologías de media concentración como los colectores cilindroparabólicos; puesto que en estos sistemas se requiere largas redes de tuberías de conexión cuyas partes móviles presentan problemas de fugas más acusados. Sin embargo, la tecnología de receptor central (Figura 1) permite implementar estas condiciones de operación al consistir en un receptor fijo; por lo que es una línea de investigación de creciente interés.

En el marco del proyecto AlcConES, financiado por la Comunidad de Madrid, se están desarrollando actividades relacionadas con la integración de nuevos fluidos térmicos en sistemas ESTC. En concreto, desde el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) estamos estudiando la viabilidad del s-CO₂ en comparación con las sales fundidas como HTF en un receptor tubular de torre. Para ello, se ha desarrollado un modelo de simulación, empleando la Fluidodinámica Computacional, para el diseño de un receptor tubular de sales fundidas previamente ensayado. A partir de los resultados iniciales de este estudio, se ha obtenido que el calor ganado por el s-CO₂ es prácticamente un 75% mayor que el captado por las sales fundidas, requiriendo un rango de presión de trabajo entre 7.5 MPa y 9.7 MPa para el módulo central del receptor [5].

La implementación de fluidos supercríticos como HTF se basa en que poseen unas excelentes propiedades de transferencia de calor, no son tóxicos, ni cancerígenos, ni mutagénicos, ni tampoco inflamables y son termodinámicamente estables. Además, sus propiedades termo-físicas, tales como difusividad, viscosidad, constate dieléctrica y densidad, pueden ser ajustadas variando la presión y/o la temperatura de operación. Estas propiedades han permitido proponer el uso de fluidos supercríticos en los ciclos de potencia que, con fluidos convencionales (agua/vapor y sales fundidas), han sido capaces de alcanzar hasta ahora un 40% de eficiencia de conversión (térmica-eléctrica) [6].

El uso de fluidos supercríticos en ciclos de potencia podría contribuir a reducir el coste de la electricidad; ya que serían ciclos cerrados más simples, compactos, más baratos y con unos periodos de construcción más cortos que los ciclos convencionales. No obstante, hay que tener en cuenta las limitaciones que supone el uso a gran escala de los ciclos de potencia supercríticos; puesto que requieren equipamiento y medidas de seguridad adaptados a unas condiciones de operación más extremas (altas presiones y temperaturas). Por ello, considerar el s-CO₂ como HTF en receptores solares de torre aparece como una posible alternativa, teniendo a su vez en cuenta las exigencias de diseño y operación del sistema.

Fuentes:

1. K. Vignarooban, X. Xu, A. Arvay, K. Hsu, A.M. Kannan, Heat transfer fluids for concentrating solar power systems – A review, Applied Energy 156, 383-396 (2015).
2. Z. Ma and C.S. Turchi, Advanced Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle Configurations for Use in Concentrating Solar Power Systems, Supercritical CO₂ Power Cycle Symposium, NREL/CP-5500-50787 (2011).
3. C.K. Ho and B.D. Iverson, Renew. Sust. Energ. Rev. 29, 835-846 (2014).
4. S.M. Besarati, D.Y. Goswami and E.K. Stefanakos, J. Sol. Energ-T. ASME 137, 031018 1- 031018 8 (2015).
5. M.I. Roldán and J. Fernández-Reche, CFD analysis of supercritical CO2 used as HTF in a solar tower receiver, SolarPACES Conference (2015).

6. Z. Knez, E. Markocic, M. Leitgeb, M. Primozic, M. Knez, M. Skerget, Energy 77, 235-243 (2014).