Sistema de almacenamiento térmico en material granular bajo la novedosa configuración de lecho confinado

Autores: Fernando Hernández Jiménez, Antonio Soria Verdugo, Eduardo Cano Pleite y Luis Miguel García Gutiérrez, ISE-UC3M

Resumen: Los sistemas de almacenamiento térmico (TES) son fundamentales para el funcionamiento estable de centrales solares termoeléctricas. Entre las diferentes opciones de sistemas TES, los sistemas de almacenamiento de calor sensible destacan debido a la posibilidad de operación a alta temperatura, mejorando así la eficiencia de la conversión del ciclo de potencia. Los sistemas de almacenamiento de calor sensible de alta temperatura suelen emplear materiales de almacenamiento sólidos, destacando entre los mismos el material granular debido a su bajo coste. El uso de un material granular de almacenamiento requiere de la operación del sistema TES en condiciones de lecho fijo para maximizar la exergía del fluido a su salida, que corresponde a la entrada de la turbina del ciclo de potencia. Por consiguiente, se propone el empleo de una configuración novedosa basada en confinar mecánicamente el material granular para prevenir su fluidización y su consecuente mezclado, maximizando, independientemente de su velocidad, la exergía del fluido a la salida del sistema de almacenamiento durante un proceso de descarga.

Abstract: Thermal storage systems (TES) are critical for the stable operation of solar thermal power plants. Among the different TES system options, sensitive heat storage systems stand out due to the possibility of high-temperature operation, thus improving the efficiency of power cycle conversion. High-temperature sensitive heat storage systems often employ solid storage materials, highlighting granular material due to its low cost. The use of a granular storage material requires the operation of the TES system under fixed bed conditions to maximize the exergy of the fluid at its outlet, which corresponds to the turbine input of the power cycle. Therefore, it is proposed to use a novel configuration based on mechanically confining the granular material to prevent its fluidization and consequent mixing, maximizing, regardless of its speed, the exergy of the fluid at the exit of the storage system during a discharge process.

El aumento de población, especialmente en zonas urbanas, junto con el aumento de la calidad de vida, han inducido un considerable incremento del consumo energético en las últimas décadas. En los países desarrollados, la mayor parte del consumo de energía primaria está aún basado en combustibles fósiles, con una contribución notable de la energía nuclear en la producción de electricidad, con el consiguiente daño al medio ambiente. En la actualidad existe una gran concienciación social con la protección del medio ambiente y la mitigación del cambio climático, fruto de la cual la mayoría de los países industrializados han firmado varios acuerdos relativos a la reducción de emisiones contaminantes y al uso de fuentes de energía renovables. Entre las diferentes energías renovables disponibles para la generación de electricidad a gran escala, la energía solar termoeléctrica tiene un gran potencial, especialmente en lugares con un recurso solar abundante como España.

La producción de electricidad en centrales solares termoeléctricas requiere de la concentración de la irradiación solar mediante reflectores para generar un foco térmico en plantas de energía solar concentrada (CSP). Sin embargo, el carácter inherentemente no estacionario de la radiación solar complica su funcionamiento, de modo que parte de la energía térmica obtenida de la radiación solar debe almacenarse para permitir un funcionamiento uniforme del ciclo de potencia a plena carga, es decir, en sus condiciones óptimas de trabajo. El almacenamiento de energía térmica (TES) permite la operación estable del ciclo de potencia mientras se carga el sistema de almacenamiento en las horas centrales del día, cuando la radiación solar es abundante. Asimismo, la energía almacenada puede emplearse cuando la radiación solar se reduce al caer el Sol, para continuar operando el ciclo de potencia a plena carga hasta agotar la energía del sistema TES. Teniendo esto en cuenta, el sistema de almacenamiento de energía térmica es un subsistema crucial de la planta, que contribuye a aumentar la disponibilidad y la eficiencia en la conversión de las plantas solares termoeléctricas.

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica pueden clasificarse en función de la forma de almacenamiento en: i) sistemas de almacenamiento de calor sensible, ii) sistemas de almacenamiento de calor latente y iii) sistemas de almacenamiento termoquímicos. El almacenamiento de calor sensible consiste en almacenar energía en forma de un aumento de temperatura en una sustancia, mientras que el sistema de almacenamiento de calor latente aprovecha la energía de cambio de fase del material de almacenamiento. En contraste, los sistemas termoquímicos almacenan energía por medio de una reacción química reversible, que es endotérmica en una dirección y exotérmica en la dirección contraria. Entre las diferentes alternativas para los sistemas TES, el almacenamiento de calor sensible es la más madura y, por lo tanto, la tecnología más utilizada a gran escala. Los materiales utilizados en los sistemas de almacenamiento de calor sensible pueden ser líquidos o sólidos. Entre los líquidos, las sales fundidas son ampliamente utilizadas para almacenar calor sensible debido a sus propiedades favorables de transferencia de calor. No obstante, el uso de sales fundidas también tiene algunos inconvenientes, como la limitación de la temperatura máxima de operación debido a la descomposición de las sales fundidas a alta temperatura. Con respecto a los sólidos como material base para el almacenamiento de calor sensible, la temperatura de funcionamiento puede elevarse hasta las temperaturas empleadas típicamente en ciclos de gas, lo que es beneficioso para el rendimiento del ciclo de potencia al que está conectada la salida del sistema TES. Entre las distintas alternativas de materiales sólidos empleados en sistemas TES, los materiales granulares como arena o rocas son ampliamente empleados debido a su bajo coste. Además, la alta temperatura alcanzable por los sistemas TES de calor sensible que utilizan sólidos como material de almacenamiento térmico permite el uso de fluidos de trabajo como el aire o el CO₂ supercrítico, para los que se pueden diseñar ciclos de potencia mejorados, pudiendo conseguir así una mayor eficiencia de conversión.

Dependiendo del tamaño del material granular sólido del sistema TES y de la velocidad del fluido de trabajo, se pueden dar varias configuraciones de operación. Para velocidades del fluido (U) inferiores a la velocidad de mínima fluidización (U_mf) del material granular, el fluido percolará entre los sólidos en los procesos de carga y descarga, permaneciendo los sólidos estáticos en el proceso. Por lo tanto, los procesos de carga y descarga en este caso se producirán secuencialmente, contando con un alto grado de segregación térmica en el sistema TES, que contará con una zona de temperatura alta (T_A) y otra de baja (T_B) separados por una termoclina que se desplaza y crece a medida que el proceso de carga o descarga progresa, como puede verse en la Figura 1. Sin embargo, velocidades del fluido por encima de la velocidad de mínima fluidización producen la fluidización de los sólidos, generándose burbujas de fluido en el interior del lecho que contribuyen a producir altas tasas de mezclado de los sólidos que ocasionan la homogeneización de la temperatura en todo el sistema. Por lo tanto, la temperatura del sistema TES presentará un valor intermedio (T_i) entre la temperatura alta y la baja, tal como se observa en la Figura 1. Un trabajo previo realizado mediante simulaciones CFD del proceso de descarga de un sistema TES con material granular y empleando CO₂ supercrítico como fluido de trabajo [1] demostró que, para aplicaciones de recuperación de energía de un sistema TES, la configuración de lecho fijo es más ventajosa que el régimen de lecho fluidizado, desde un punto de vista exergético, para maximizar la eficiencia del ciclo termodinámico y, por lo tanto, también la eficiencia global de la planta de energía solar. Sin embargo, el régimen de lecho fijo limita la velocidad del fluido por debajo de la velocidad de mínima fluidización de las partículas sólidas que conforman el material granular, limitando de este modo el gasto másico de fluido. Por lo tanto, se propone un diseño novedoso para operar el lecho de partículas sólidas en un régimen de lecho fijo incluso a altas velocidades del fluido. La solución propuesta consiste en confinar el material granular mecánicamente entre dos distribuidores que permiten la circulación del fluido evitando el movimiento de los sólidos, la fluidización de las partículas y por tanto el mezclado característico de los lechos fluidizados. De este modo, el lecho confinado podría operar a alta velocidad con segregación térmica en el interior del lecho, contando con la zona de alta y baja temperatura separadas por la termoclina, tal como se observa en la Figura 1, lo que permitiría maximizar la exergía del fluido de trabajo a la salida del sistema TES.

Figura 1: Configuraciones de funcionamiento del sistema TES basado en material granular.

La novedosa configuración del lecho confinado maximiza la exergía del fluido que circula desde la salida del sistema TES al ciclo de potencia. No obstante, el uso de dos distribuidores y la alta velocidad del fluido percolando entre el material sólido confinado pueden resultar en excesivas pérdidas de carga. Es por ello que el sistema de lecho confinado se ha optimizado combinando un análisis exergético del sistema con aspectos económicos mediante modelos analíticos. El modelo presenta la configuración óptima en base a la velocidad del fluido, el tamaño de partícula del material granular, el tiempo de descarga del sistema de almacenamiento y las dimensiones del sistema TES [2]. Un modelo a escala laboratorio del lecho confinado se ha construido en la Universidad Carlos III de Madrid, donde se ensayará el proceso de descarga del sistema TES basado en material granular confinado, comparándose los resultados con modelos analíticos de la evolución de la termoclina. La Figura 2 muestra un esquema de la instalación y de la estimación de la distribución de temperatura en el sistema TES obtenida del modelo analítico. El aporte térmico del sistema experimental para la carga del mismo se llevará a cabo por medio de resistencias cerámicas controladas mediante un sistema PID. El confinamiento del sistema se realiza mecánicamente mediante un segundo distribuidor de aire situado en la parte superior del sistema. El proceso de descarga tendrá lugar introduciendo aire a temperatura ambiente en dirección ascendente una vez el lecho confinado se encuentra a la temperatura deseada. Un total de 20 termopares situados en el lecho confinado distribuidos a lo largo de la altura del mismo, con una distancia de 5 cm entre ellos, permiten caracterizar la evolución de la termoclina durante el proceso de descarga. Además, permiten monitorizar la temperatura del fluido a la entrada y salida del sistema TES, midiendo también el flujo de aire suministrado y la pérdida de carga del mismo.

Figura 2: Sistema experimental de lecho confinado y estimación del modelo analítico para un caso concreto.

Referencias

[1] Exergy recovery from solar heated particles to supercritical CO2, F. Hernández-Jiménez, A. Soria-Verdugo, A. Acosta-Iborra, D. Santana. Applied Thermal Engineering, Volume 146, 2019, Pages 469-481,

[2] Thermo-economic optimization of a novel confined thermal energy storage system based on granular material. E: Cano_Pleite, F. Hernández-Jiménez, L.M. Garcia-Gutierrez, A. Soria-Verdugo. Submitted to Applied Thermal Engineering.

Contacto

Fernando Hernández Jiménez, investigador del grupo UC3M-ISE del programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía.