{"id":135292,"date":"2022-11-25T12:03:33","date_gmt":"2022-11-25T11:03:33","guid":{"rendered":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=135292"},"modified":"2022-11-25T12:03:33","modified_gmt":"2022-11-25T11:03:33","slug":"sistema-de-almacenamiento-termico-en-material-granular-bajo-la-novedosa-configuracion-de-lecho-confinado","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2022\/11\/25\/135292","title":{"rendered":"Sistema de almacenamiento t\u00e9rmico en material granular bajo la novedosa configuraci\u00f3n de lecho confinado"},"content":{"rendered":"

Autores: Fernando Hern\u00e1ndez Jim\u00e9nez, Antonio Soria Verdugo, Eduardo Cano Pleite y Luis Miguel Garc\u00eda Guti\u00e9rrez, ISE-UC3M<\/strong><\/p>\n

Resumen:<\/strong> Los sistemas de almacenamiento t\u00e9rmico (TES) son fundamentales para el funcionamiento estable de centrales solares termoel\u00e9ctricas. Entre las diferentes opciones de sistemas TES, los sistemas de almacenamiento de calor sensible destacan debido a la posibilidad de operaci\u00f3n a alta temperatura, mejorando as\u00ed la eficiencia de la conversi\u00f3n del ciclo de potencia. Los sistemas de almacenamiento de calor sensible de alta temperatura suelen emplear materiales de almacenamiento s\u00f3lidos, destacando entre los mismos el material granular debido a su bajo coste. El uso de un material granular de almacenamiento requiere de la operaci\u00f3n del sistema TES en condiciones de lecho fijo para maximizar la exerg\u00eda 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 configuraci\u00f3n novedosa basada en confinar mec\u00e1nicamente el material granular para prevenir su fluidizaci\u00f3n y su consecuente mezclado, maximizando, independientemente de su velocidad, la exerg\u00eda del fluido a la salida del sistema de almacenamiento durante un proceso de descarga.<\/p>\n

Abstract:<\/strong> 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.<\/p>\n

El aumento de poblaci\u00f3n, especialmente en zonas urbanas, junto con el aumento de la calidad de vida, han inducido un considerable incremento del consumo energ\u00e9tico en las \u00faltimas d\u00e9cadas. En los pa\u00edses desarrollados, la mayor parte del consumo de energ\u00eda primaria est\u00e1 a\u00fan basado en combustibles f\u00f3siles, con una contribuci\u00f3n notable de la energ\u00eda nuclear en la producci\u00f3n de electricidad, con el consiguiente da\u00f1o al medio ambiente. En la actualidad existe una gran concienciaci\u00f3n social con la protecci\u00f3n del medio ambiente y la mitigaci\u00f3n del cambio clim\u00e1tico, fruto de la cual la mayor\u00eda de los pa\u00edses industrializados han firmado varios acuerdos relativos a la reducci\u00f3n de emisiones contaminantes y al uso de fuentes de energ\u00eda renovables. Entre las diferentes energ\u00edas renovables disponibles para la generaci\u00f3n de electricidad a gran escala, la energ\u00eda solar termoel\u00e9ctrica tiene un gran potencial, especialmente en lugares con un recurso solar abundante como Espa\u00f1a.<\/span><\/p>\n

La producci\u00f3n de electricidad en centrales solares termoel\u00e9ctricas requiere de la concentraci\u00f3n de la irradiaci\u00f3n solar mediante reflectores para generar un foco t\u00e9rmico en plantas de energ\u00eda solar concentrada (CSP). Sin embargo, el car\u00e1cter inherentemente no estacionario de la radiaci\u00f3n solar complica su funcionamiento, de modo que parte de la energ\u00eda t\u00e9rmica obtenida de la radiaci\u00f3n solar debe almacenarse para permitir un funcionamiento uniforme del ciclo de potencia a plena carga, es decir, en sus condiciones \u00f3ptimas de trabajo. El almacenamiento de energ\u00eda t\u00e9rmica (TES) permite la operaci\u00f3n estable del ciclo de potencia mientras se carga el sistema de almacenamiento en las horas centrales del d\u00eda, cuando la radiaci\u00f3n solar es abundante. Asimismo, la energ\u00eda almacenada puede emplearse cuando la radiaci\u00f3n solar se reduce al caer el Sol, para continuar operando el ciclo de potencia a plena carga hasta agotar la energ\u00eda del sistema TES. Teniendo esto en cuenta, el sistema de almacenamiento de energ\u00eda t\u00e9rmica es un subsistema crucial de la planta, que contribuye a aumentar la disponibilidad y la eficiencia en la conversi\u00f3n de las plantas solares termoel\u00e9ctricas.<\/span><\/p>\n

Los sistemas de almacenamiento de energ\u00eda t\u00e9rmica pueden clasificarse en funci\u00f3n 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 termoqu\u00edmicos. El almacenamiento de calor sensible consiste en almacenar energ\u00eda en forma de un aumento de temperatura en una sustancia, mientras que el sistema de almacenamiento de calor latente aprovecha la energ\u00eda de cambio de fase del material de almacenamiento. En contraste, los sistemas termoqu\u00edmicos almacenan energ\u00eda por medio de una reacci\u00f3n qu\u00edmica reversible, que es endot\u00e9rmica en una direcci\u00f3n y exot\u00e9rmica en la direcci\u00f3n contraria. Entre las diferentes alternativas para los sistemas TES, el almacenamiento de calor sensible es la m\u00e1s madura y, por lo tanto, la tecnolog\u00eda m\u00e1s utilizada a gran escala. Los materiales utilizados en los sistemas de almacenamiento de calor sensible pueden ser l\u00edquidos o s\u00f3lidos. Entre los l\u00edquidos, 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 tambi\u00e9n tiene algunos inconvenientes, como la limitaci\u00f3n de la temperatura m\u00e1xima de operaci\u00f3n debido a la descomposici\u00f3n de las sales fundidas a alta temperatura. Con respecto a los s\u00f3lidos como material base para el almacenamiento de calor sensible, la temperatura de funcionamiento puede elevarse hasta las temperaturas empleadas t\u00edpicamente en ciclos de gas, lo que es beneficioso para el rendimiento del ciclo de potencia al que est\u00e1 conectada la salida del sistema TES. Entre las distintas alternativas de materiales s\u00f3lidos empleados en sistemas TES, los materiales granulares como arena o rocas son ampliamente empleados debido a su bajo coste. Adem\u00e1s, la alta temperatura alcanzable por los sistemas TES de calor sensible que utilizan s\u00f3lidos como material de almacenamiento t\u00e9rmico permite el uso de fluidos de trabajo como el aire o el CO2<\/sub> supercr\u00edtico, para los que se pueden dise\u00f1ar ciclos de potencia mejorados, pudiendo conseguir as\u00ed una mayor eficiencia de conversi\u00f3n.<\/span><\/p>\n

Dependiendo del tama\u00f1o del material granular s\u00f3lido del sistema TES y de la velocidad del fluido de trabajo, se pueden dar varias configuraciones de operaci\u00f3n. Para velocidades del fluido (U<\/em>) inferiores a la velocidad de m\u00ednima fluidizaci\u00f3n (Umf<\/sub><\/em>) del material granular, el fluido percolar\u00e1 entre los s\u00f3lidos en los procesos de carga y descarga, permaneciendo los s\u00f3lidos est\u00e1ticos en el proceso. Por lo tanto, los procesos de carga y descarga en este caso se producir\u00e1n secuencialmente, contando con un alto grado de segregaci\u00f3n t\u00e9rmica en el sistema TES, que contar\u00e1 con una zona de temperatura alta (TA<\/sub><\/em>) y otra de baja (TB<\/sub><\/em>) 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 m\u00ednima fluidizaci\u00f3n producen la fluidizaci\u00f3n de los s\u00f3lidos, gener\u00e1ndose burbujas de fluido en el interior del lecho que contribuyen a producir altas tasas de mezclado de los s\u00f3lidos que ocasionan la homogeneizaci\u00f3n de la temperatura en todo el sistema. Por lo tanto, la temperatura del sistema TES presentar\u00e1 un valor intermedio (Ti<\/sub><\/em>) 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<\/sub> supercr\u00edtico como fluido de trabajo [1] demostr\u00f3 que, para aplicaciones de recuperaci\u00f3n de energ\u00eda de un sistema TES, la configuraci\u00f3n de lecho fijo es m\u00e1s ventajosa que el r\u00e9gimen de lecho fluidizado, desde un punto de vista exerg\u00e9tico, para maximizar la eficiencia del ciclo termodin\u00e1mico y, por lo tanto, tambi\u00e9n la eficiencia global de la planta de energ\u00eda solar. Sin embargo, el r\u00e9gimen de lecho fijo limita la velocidad del fluido por debajo de la velocidad de m\u00ednima fluidizaci\u00f3n de las part\u00edculas s\u00f3lidas que conforman el material granular, limitando de este modo el gasto m\u00e1sico de fluido. Por lo tanto, se propone un dise\u00f1o novedoso para operar el lecho de part\u00edculas s\u00f3lidas en un r\u00e9gimen de lecho fijo incluso a altas velocidades del fluido. La soluci\u00f3n propuesta consiste en confinar el material granular mec\u00e1nicamente entre dos distribuidores que permiten la circulaci\u00f3n del fluido evitando el movimiento de los s\u00f3lidos, la fluidizaci\u00f3n de las part\u00edculas y por tanto el mezclado caracter\u00edstico de los lechos fluidizados. De este modo, el lecho confinado podr\u00eda operar a alta velocidad con segregaci\u00f3n t\u00e9rmica 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 permitir\u00eda maximizar la exerg\u00eda del fluido de trabajo a la salida del sistema TES. <\/span><\/p>\n

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\nFigura 1: Configuraciones de funcionamiento del sistema TES basado en material granular.<\/span><\/em><\/p>\n

La novedosa configuraci\u00f3n del lecho confinado maximiza la exerg\u00eda 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 s\u00f3lido confinado pueden resultar en excesivas p\u00e9rdidas de carga. Es por ello que el sistema de lecho confinado se ha optimizado combinando un an\u00e1lisis exerg\u00e9tico del sistema con aspectos econ\u00f3micos mediante modelos anal\u00edticos. El modelo presenta la configuraci\u00f3n \u00f3ptima en base a la velocidad del fluido, el tama\u00f1o de part\u00edcula 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 ensayar\u00e1 el proceso de descarga del sistema TES basado en material granular confinado, compar\u00e1ndose los resultados con modelos anal\u00edticos de la evoluci\u00f3n de la termoclina. La Figura 2 muestra un esquema de la instalaci\u00f3n y de la estimaci\u00f3n de la distribuci\u00f3n de temperatura en el sistema TES obtenida del modelo anal\u00edtico. El aporte t\u00e9rmico del sistema experimental para la carga del mismo se llevar\u00e1 a cabo por medio de resistencias cer\u00e1micas controladas mediante un sistema PID. El confinamiento del sistema se realiza mec\u00e1nicamente mediante un segundo distribuidor de aire situado en la parte superior del sistema. El proceso de descarga tendr\u00e1 lugar introduciendo aire a temperatura ambiente en direcci\u00f3n 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 evoluci\u00f3n de la termoclina durante el proceso de descarga. Adem\u00e1s, permiten monitorizar la temperatura del fluido a la entrada y salida del sistema TES, midiendo tambi\u00e9n el flujo de aire suministrado y la p\u00e9rdida de carga del mismo.<\/span><\/p>\n

\"\"<\/a>
\nFigura 2: Sistema experimental de lecho confinado y estimaci\u00f3n del modelo anal\u00edtico para un caso concreto.<\/span><\/em><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] Exergy recovery from solar heated particles to supercritical CO2, F. Hern\u00e1ndez-Jim\u00e9nez, A. Soria-Verdugo, A. Acosta-Iborra, D. Santana. Applied Thermal Engineering, Volume 146, 2019, Pages 469-481,<\/p>\n

[2] Thermo-economic optimization of a novel confined thermal energy storage system based on granular material. E: Cano_Pleite, F. Hern\u00e1ndez-Jim\u00e9nez, L.M. Garcia-Gutierrez, A. Soria-Verdugo. Submitted to Applied Thermal Engineering.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Fernando Hern\u00e1ndez Jim\u00e9nez, investigador del grupo UC3M-ISE del programa ACES2030-CM<\/a>
\nCoordina ACES2030-CM<\/a>: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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