Almacenamiento termoquímico de energía solar

Autores: L. Briones1, C. M. Valverde-Pizarro1, I. Barras-García1, C. Tajuelo1, E. S. Sanz-Pérez1, R. Sanz1, J. M. Escola1, J. González-Aguilar2 y M. Romero2

1 Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA), Universidad Rey Juan Carlos, c/ Tulipán s/n, 28933, Móstoles.

2 Unidad de Procesos de Alta Temperatura, Instituto IMDEA Energía, Avenida Ramón de la Sagra, 28935, Móstoles.

En la actualidad, el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía es un elemento decisivo para facilitar la progresiva implantación de las energías renovables en nuestras sociedades. Un problema general de las energías renovables es su intermitencia, de forma que no siempre es factible adaptar la producción a la demanda, con lo que en numerosas ocasiones se obtienen excedentes que acaban perdiéndose. Ello obliga a desarrollar sistemas de almacenamiento efectivos y baratos que permitan almacenar esos excedentes de energía renovables y poder utilizarlos cuando son realmente necesarios. Se han propuesto diferentes sistemas de almacenamiento como las presas de bombeo, baterías de flujo, baterías de ión Li, electrolisis del agua para generar el vector hidrógeno, etc., de modo que muchos de ellos se encuentran en la actualidad bajo profundo estudio para determinar su viabilidad técnica y económica. Una vía de almacenar energía solar que está recibiendo cada vez más interés es el almacenamiento termoquímico de energía. En esta opción, la energía proyectada por los concentradores solares en las centrales CSP se enfoca sobre un compuesto químico que experimenta una reacción reversible, la cual puede utilizarse en ambos sentidos para almacenar o liberar energía, según proceda. Nuestro grupo en la Universidad Rey Juan Carlos en colaboración con investigadores del Instituto IMDEA Energía se ha centrado particularmente en la aplicación de la reacción reversible de hidratación/deshidratación del CaO con fines de almacenamiento de energía. Esta reacción tiene bastantes ventajas. Por ejemplo, su entalpía es considerable (104 kJ/mol), tiene una alta ciclabilidad, su cinética es rápida, no hay subproductos y los reactivos son abundantes y baratos. En este sentido, se puede almacenar energía mediante la deshidratación del Ca(OH)2 por acción de los concentradores solares, produciendo CaO. Posteriormente, esta energía se puede recuperar en cualquier momento simplemente poniendo en contacto el CaO con vapor de agua, liberándose los 104 kJ/mol por ejemplo a un fluido circulante, que pueden aprovecharse en la generación de electricidad.

No obstante, la implantación efectiva de esta tecnología requiere el desarrollo de sistemas con alta ciclabilidad y también, provistos de resistencia estructural. Así, la aplicación en lechos fijos o móviles implica el desarrollo de composites o pellets capaces de resistir los considerables cambios de volúmenes producidos durante las reacciones de hidratación/deshidratación, y que conducen irremediablemente a la desintegración del pellet y su progresiva conversión en polvo. Este fenómeno dificulta enormemente su aplicación práctica real. En investigaciones previas, nuestro grupo de investigación realizó avances en este campo diseñando pellets de CaO con mayor integridad estructural y buena características de ciclabilidad. De este modo, se llevó a cabo la elaboración de pellets esféricos de Ca(OH)2 aglomerados con Al2O3 (60/40 w/w) y recubiertos con geles de alúmina mesoporosa. Estos composites presentaron mayor resistencia estructural y ciclabilidad tras 20 ensayos que los pellets de CaO puros, con unos rendimientos de hidratación considerables y superiores al 80%1.

Nuestro grupo en la Universidad Rey Juan Carlos, nuevamente en colaboración con investigadores del Instituto IMDEA Energía, ha realizado más avances en este campo, desarrollando pellets tanto esféricos como cilíndricos de Ca(OH)2 y Al2O3, recubiertos tanto de sílice densa como porosa, mediante aplicación de una técnica de dip-coating2. En estos estudios, se observó que los pellets cilíndricos recubiertos de sílice porosa permitían alcanzar rendimientos de hidratación superiores al 85% tras 10 ciclos, manteniendo su forma y una cierta dureza (> 7 N), a pesar de los considerables cambios de volumen experimentados por el pellet tras los sucesivos ciclos de hidratación/deshidratación. Este buen comportamiento se atribuyó a la naturaleza del recubrimiento y al procedimiento de preparación del pellet. Así, el recubrimiento de sílice porosa está formado por granos dispersos y porosos sobre la superficie del pellet, que permitieron preservar mejor su estructura porosa, facilitando la difusión del vapor de agua en los sucesivos ciclos. En este sentido, estos resultados recalcan que son necesarios pero también posibles los avances en los materiales utilizados para el almacenamiento termoquímico de energía en centrales solares del tipo CSP.

Referencias

1 C.M. Valverde-Pizarro, L. Briones, E. Sanz-Pérez, J.M. Escola, R. Sanz, J. González-Aguilar, M. Romero. Coating of Ca(OH)2/γ-Al2O3 pellets with mesoporous Al2O3 and its application in thermochemical heat storage for CSP plants. Renewable Energy 162 (2020) 587-595

2 L. Briones, C. M. Valverde-Pizarro, I. Barras-García, C. Tajuelo, E. S. Sanz-Pérez, R. Sanz, J. M. Escola, J. González-Aguilar, M. Romero. Development of stable porous silica-coated Ca(OH)2/γ-Al2O3 pellets for dehydration/hydration cycles with application in thermochemical heat storage, Journal of Energy Storage 51 (2022) 104548.

Contacto

Laura Briones, Investigadora del grupo URJC-SOLAR del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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