Análisis multiescala de las propiedades radiativas de materiales en procesos de alta temperatura

Autor: Dr. Charles-Alexis Asselineau (IMDEA Energía)

La generación de calor en procesos industriales a alta temperatura y la producción de electricidad son responsables de más del 54% de las emisiones globales de CO₂ [1]. Tan solo en la UE, los combustibles fósiles son el origen del 40% de la electricidad consumida en 2018 [2] y aproximadamente el 75% del consumo de energía de las industrias intensivas en energía en 2016 [3]. Sin duda, estos dos sectores deberán experimentar transformaciones significativas con el fin de alcanzar los objetivos del Acuerdo de París para el año 2030 con el objeto de sustituir combustibles fósiles por fuentes de energía libres de CO₂. De hecho, la Unión Europea ha establecido el ambicioso objetivo de alcanzar la neutralidad de carbono para el año 2050; lo que supone para las 4 principales industrias emisoras de CO₂ (producción de electricidad, cemento, acero e industria química) profundas adaptaciones en donde los combustibles fósiles serán reemplazados progresivamente por combustibles alternativos (hidrógeno, biomasa, amoníaco, combustibles sintéticos…), energías térmicas renovables capaces de producir elevadas temperaturas (como la energía solar térmica de concentración), la utilización de dispositivos electro-térmicos alimentados por electricidad renovable, y que dependerán principalmente de la economía del proceso. Por otra parte, nuevos procesos de alta temperatura que operan hasta más de 1500 °C para proporcionar opciones económicas de almacenamiento de electricidad [4][5] y combustibles alternativos [6] están siendo explorados.

La eficiencia y viabilidad económica de las diferentes soluciones tecnológicas dependen de una gestión adecuada de las transferencias de calor a alta temperatura mediante un control de la distribución espectral y direccional de la radiación. A temperaturas moderadas, la fabricación de materiales compuestos por capas delgadas permite promover la emisión en bandas espectrales específicas. Sin embargo, a altas temperaturas (por encima de los 650 °C), la estabilidad mecánica de los recubrimientos suele verse comprometida y las superficies metálicas se dañan en contacto con el aire. Además, la efectividad de la selectividad espectral disminuye ya que los espectros de emisión solar y térmica se solapan significativamente.

Cuando no es viable beneficiarse de la selectividad espectral existe la posibilidad de recurrir al control de las propiedades direccionales de la radiación. Se trata de una ruta poco explorada, pero que se emplea en concentración solar, concretamente en receptores de cavidades para alcanzar temperaturas más elevadas que en receptores externos, aunque no se formalice de esta manera. En esta aproximación, se considera que la geometría de las superficies que participan en los intercambios de energía influye sobre la distribución angular y espectral de la radiación emitida y reflejada, independientemente de las propiedades ópticas intrínsecas del material del que estén compuestas. El proyecto MSCA IF HEASeRS (High tEmperature Angular-Selective Radiant Surfaces) se centra en analizar dicha influencia en el rango espectral característicos de la radiación solar y la radiación térmica (calor) sobre materiales usados industrialmente en aplicaciones a alta temperatura. Este análisis se realiza a múltiples escalas (Ilustración 1):

• Micro-escala (1 – 100 µm), se analiza el efecto de rugosidades en la superficie.
• Meso-escala (100 µm – 10 cm), se consideran estructuras superficiales, como ranuras y redes de extrusiones o protuberancias.
• Macro-escala (>10 cm), se observa el comportamiento radiativo anisotrópico resultante del conjunto de micro y meso escalas y se aplica al diseño de dispositivos radiantes altamente eficientes.

Los resultados obtenidos tienen aplicación en todo tipo de procesos de alta temperatura y evitan gran parte de las limitaciones encontradas en los conceptos existentes.

Ilustración 1: Resumen del programa científico del proyecto MSCA IF HEASeRS

Enfoque hacia aplicaciones industriales

Para asegurar que el trabajo desarrollado en HEASeRS puede dar lugar a aplicaciones industriales a corto-medio plazo, se han seleccionado materiales consultando a proveedores, fabricantes y/o usuarios de dispositivos de alta temperatura. También se han escogido materiales cerámicos avanzados.

El trabajo de simulación numérica se desarrolla haciendo uso de herramientas open-source con el objeto de poder distribuirlo libremente y fomentar una rápida difusión del conocimiento. HEASeRS colabora con centros expertos europeos para sintetizar, modificar y medir propiedades ópticas de materiales refractarios, cerámicos y metálicos de alta temperatura.

Referencias

[1] “Hydrogen From Renewable Power: technology outlook for the energy transition” – IRENA; 09/2018.

[2] “Shedding light on energy in the EU“ – Eurostat; 2020.

[3] “Energy data – 2020 Edition” – Eurostat; 2020.

[4] A. Datas et al., Energy, 2016, 107, 542–549.

[5] C. Amy et al., Energy Environ. Sci., 2019, 12, 334–343.

[6] S. Brynolf et al., Renew. Sustain. Energy Rev., 2018, 81, 1887–1905.

Contacto

Dr. Charles-Alexis Asselineau, MSCA IF fellow en IMDEA Energía (Unidad de Procesos de Alta Temperatura) – charlesalexis.asselineau@imdea.org