Metales líquidos en almacenamiento de energía termoclina en Karlsruhe

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Fuente: SolarPaces (Susan Kraemer)

Traducción y réplica: Helio Noticias

Una de las formas de reducir costos en el almacenamiento de energía térmica, ya sea de forma autónoma o como parte de la energía solar concentrada ( CSP ) de torre, es utilizar fluidos de transferencia de calor capaces de alcanzar temperaturas más altas y con un rango de trabajo más amplio entre frío y caliente que el fundido actual. sales con su rango de trabajo entre “frías” a 290 ° C y calientes a 565 ° C.

Como resultado, los metales líquidos se están investigando como fluidos de transferencia porque pueden alcanzar temperaturas superiores a 1000 ° C y tener una temperatura de fusión baja de aproximadamente 150 ° C, lo que les da un rango de trabajo mucho más amplio de 150 ° C a 1000 ° C. Pero, ¿podrían usarse también metales líquidos en el almacenamiento de energía térmica?

Una de las formas de reducir costos en el almacenamiento de energía térmica, ya sea de forma autónoma o como parte de la energía solar concentrada ( CSP ) de torre, es utilizar fluidos de transferencia de calor capaces de alcanzar temperaturas más altas y con un rango de trabajo más amplio entre frío y caliente que el fundido actual. sales con su rango de trabajo entre “frías” a 290 ° C y calientes a 565 ° C.

Como resultado, los metales líquidos se están investigando como fluidos de transferencia porque pueden alcanzar temperaturas superiores a 1000 ° C y tener una temperatura de fusión baja de aproximadamente 150 ° C, lo que les da un rango de trabajo mucho más amplio de 150 ° C a 1000 ° C. Pero, ¿podrían usarse también metales líquidos en el almacenamiento de energía térmica?

En la actual CSP de torre comercial, el almacenamiento térmico es en dos tanques, caliente y frío , pero otra tecnología prometedora para reducir los costos de almacenamiento térmico que se está investigando cada vez más es el almacenamiento de un solo tanque, termoclina , en el que tanto la fase fría como la caliente están presentes en una tanque. (La termoclina se refiere a la región de temperatura mixta entre la capa superior cálida y la capa inferior más fría en un líquido, por ejemplo, en el agua del océano).

La autora principal del estudio Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido,  presentado en la Conferencia SolarPACES 2020, Klarissa Niedermeier explicó las ventajas en una llamada desde Alemania.

“Trabajamos con metales líquidos como fluidos de transferencia de calor porque tienen una conductividad térmica muy alta”, dijo Niedermeier. “Dependiendo del metal que use, es entre 30 y 100 veces más alto que las sales fundidas. Es por eso que el sodio líquido se ha utilizado en receptores en plantas de energía solar de concentración, ya que pueden soportar altas cargas de calor que están presentes en esos receptores térmicos ”.

Su grupo de trabajo en el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe, que investiga metales líquidos en su laboratorio dedicado, está haciendo un experimento único en su tipo; utilizando metal líquido para la transferencia de calor y el almacenamiento de energía en un sistema de termoclina de un solo tanque en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT).

“En un solo tanque no tienes el volumen vacío. Por lo que necesita menos material de tanque ”, explicó. “Mientras que en una configuración de dos tanques, cuando tiene el tanque frío y caliente, necesita tanques del doble del tamaño que realmente necesita para el fluido porque siempre tendrá una gran parte del tanque vacía”.

Entonces, ¿cuáles son los desafíos en el uso de metal líquido en un sistema de almacenamiento de energía térmica termoclina?

Los metales líquidos son ideales para la transferencia de calor, pero tienen una baja densidad energética. Su alta conductividad térmica conduce a una transferencia de calor eficiente a los rellenos en forma de guijarros que se encuentran en el tanque, pero es desventajoso para la separación de la fase fría y caliente. El equipo está buscando los mejores candidatos para un metal líquido y un relleno para combinar con él para transferir el calor de la manera más eficiente al relleno.

 

Pruebas de rocas naturales, vidrios y cerámicas como rellenos en el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) IMAGE @ Niedermeier, K .; Müller-Trefzer, F .; Daubner, M .; Marocco, L .; Weisenburger, A .; Wetzel, T., Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido, Actas del 26 ° SolarPACES (2020).

Que relleno almacenar calor

Idealmente, un material de relleno debe tener una capacidad calorífica muy alta combinada con una densidad muy alta, tanto en términos de que los átomos dentro del material estén más cerca entre sí y también que no tengan demasiado espacio entre cada uno que se sienta en el tanque, porque cuanto más denso es el material, más energía puede almacenar.

Para determinar qué candidatos de relleno son más capaces de soportar metales líquidos a altas temperaturas, el equipo había examinado previamente varias piedras naturales como cuarzo y grava de filtro, vidrios de borosilicato y cal sodada, y cerámicas de alúmina, circonio, silicato de circonio y esteatita.
Después de la inmersión durante varias semanas a 500 ° C, evaluaron cualquier daño con la macroscopía electrónica de barrido (SEM) y encontraron que las cerámicas tenían el mejor rendimiento y seleccionaron una cerámica de silicato de circonio que no mostró interacción.

“Entonces, para nuestra primera prueba, queríamos tener un lecho que constara de un solo tipo de relleno que esté bien definido con propiedades conocidas”, explicó Niedermeier. “Podemos validar nuestras simulaciones y hacer mucho trabajo científico con ellas. Podría haber alternativas más baratas “.

 

El almacenamiento de Thermoclina es un proceso de un solo tanque. La imagen de la derecha también muestra el calor y el frío para representar esas fuentes en un proyecto de CSP, IMAGE @ Niedermeier, K .; Müller-Trefzer, F .; Daubner, M .; Marocco, L .; Weisenburger, A .; Wetzel, T., Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido, Actas de la 26a edición de SolarPACES (2020).

Primero, pruebe la mejor separación de frío y calor

Inicialmente, el equipo probó solo el metal líquido solo, sin el relleno de cerámica para tener datos para validar contra sus simulaciones. El metal líquido ideal sería el que crea la menor cantidad de temperatura de mezcla en el punto de termoclina entre el calor y el frío. El almacenamiento de Thermocline se basa en que el fluido caliente en la parte superior se mantenga caliente y el fluido frío debajo se mantenga frío a pesar de estar en un tanque.

Entonces, idealmente, lo que se necesita es un metal líquido que en realidad no se mezcle (transfiera su calor) con tanta facilidad, dijo Neidermeier: “La termoclina perfecta sería donde el fluido caliente y el frío estarían uno sobre el otro sin interactuar, por lo que no habría degradación de termoclinas. Debe minimizar la transferencia de calor entre lo caliente y lo frío para que no haya un área grande que esté tibia. En el peor de los casos, todo el tanque sería la termoclina. Por eso se utiliza material de relleno de baja conductividad que almacena principalmente el calor y amortigua la expansión de la termoclina ”.

En el mismo contexto, una aleación de plomo y bismuto, plomo-bismuto eutéctico (LBE), que por encima de su punto de fusión de 124 ° C demostró ser superior al sodio líquido para el almacenamiento de termoclinas en simulaciones.

“LBE actúa un poco mejor que el sodio porque la conductividad térmica es tres veces menor que la del sodio”, anotó. “Sigue siendo una conductividad térmica alta, pero mantiene un poco mejor la estratificación, se obtiene una división más clara entre frío y calor”.

En el primer paso, probaron este sistema a pequeña escala en el circuito de prueba de metal líquido del laboratorio hasta 380 ° C. Actualmente están comenzando la siguiente ronda con el material de relleno adentro. Luego, el segundo paso sería un sistema a escala piloto de 100 kWh, hasta 500 ° C y luego, hasta 700 ° C. Por lo tanto, hay pasos adicionales antes de la comercialización y aún no están en el último.

En la actual CSP de torre comercial, el almacenamiento térmico es en dos tanques, caliente y frío , pero otra tecnología prometedora para reducir los costos de almacenamiento térmico que se está investigando cada vez más es el almacenamiento de un solo tanque, termoclina , en el que tanto la fase fría como la caliente están presentes en una tanque. (La termoclina se refiere a la región de temperatura mixta entre la capa superior cálida y la capa inferior más fría en un líquido, por ejemplo, en el agua del océano).

La autora principal del estudio Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido,  presentado en la Conferencia SolarPACES 2020, Klarissa Niedermeier explicó las ventajas en una llamada desde Alemania.

“Trabajamos con metales líquidos como fluidos de transferencia de calor porque tienen una conductividad térmica muy alta”, dijo Niedermeier. “Dependiendo del metal que use, es entre 30 y 100 veces más alto que las sales fundidas. Es por eso que el sodio líquido se ha utilizado en receptores en plantas de energía solar de concentración, ya que pueden soportar altas cargas de calor que están presentes en esos receptores térmicos ”.

Su grupo de trabajo en el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe, que investiga metales líquidos en su laboratorio dedicado, está haciendo un experimento único en su tipo; utilizando metal líquido para la transferencia de calor y el almacenamiento de energía en un sistema de termoclina de un solo tanque en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT).

“En un solo tanque no tienes el volumen vacío. Por lo que necesita menos material de tanque ”, explicó. “Mientras que en una configuración de dos tanques, cuando tiene el tanque frío y caliente, necesita tanques del doble del tamaño que realmente necesita para el fluido porque siempre tendrá una gran parte del tanque vacía”.

Entonces, ¿cuáles son los desafíos en el uso de metal líquido en un sistema de almacenamiento de energía térmica termoclina?

Los metales líquidos son ideales para la transferencia de calor, pero tienen una baja densidad energética. Su alta conductividad térmica conduce a una transferencia de calor eficiente a los rellenos en forma de guijarros que se encuentran en el tanque, pero es desventajoso para la separación de la fase fría y caliente. El equipo está buscando los mejores candidatos para un metal líquido y un relleno para combinar con él para transferir el calor de la manera más eficiente al relleno.

 

Pruebas de rocas naturales, vidrios y cerámicas como rellenos en el Laboratorio de Metales Líquidos de Karlsruhe en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) IMAGE @ Niedermeier, K .; Müller-Trefzer, F .; Daubner, M .; Marocco, L .; Weisenburger, A .; Wetzel, T., Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido, Actas del 26 ° SolarPACES (2020).

Que relleno almacenar calor

Idealmente, un material de relleno debe tener una capacidad calorífica muy alta combinada con una densidad muy alta, tanto en términos de que los átomos dentro del material estén más cerca entre sí y también que no tengan demasiado espacio entre cada uno que se sienta en el tanque, porque cuanto más denso es el material, más energía puede almacenar.

Para determinar qué candidatos de relleno son más capaces de soportar metales líquidos a altas temperaturas, el equipo había examinado previamente varias piedras naturales como cuarzo y grava de filtro, vidrios de borosilicato y cal sodada, y cerámicas de alúmina, circonio, silicato de circonio y esteatita.
Después de la inmersión durante varias semanas a 500 ° C, evaluaron cualquier daño con la macroscopía electrónica de barrido (SEM) y encontraron que las cerámicas tenían el mejor rendimiento y seleccionaron una cerámica de silicato de circonio que no mostró interacción.

“Entonces, para nuestra primera prueba, queríamos tener un lecho que constara de un solo tipo de relleno que esté bien definido con propiedades conocidas”, explicó Niedermeier. “Podemos validar nuestras simulaciones y hacer mucho trabajo científico con ellas. Podría haber alternativas más baratas “.

 

El almacenamiento de Thermoclina es un proceso de un solo tanque. La imagen de la derecha también muestra el calor y el frío para representar esas fuentes en un proyecto de CSP, IMAGE @ Niedermeier, K .; Müller-Trefzer, F .; Daubner, M .; Marocco, L .; Weisenburger, A .; Wetzel, T., Estudios teóricos y experimentales de almacenamiento de energía térmica de medios duales con metal líquido, Actas de la 26a edición de SolarPACES (2020).

Primero, pruebe la mejor separación de frío y calor

Inicialmente, el equipo probó solo el metal líquido solo, sin el relleno de cerámica para tener datos para validar contra sus simulaciones. El metal líquido ideal sería el que crea la menor cantidad de temperatura de mezcla en el punto de termoclina entre el calor y el frío. El almacenamiento de Thermocline se basa en que el fluido caliente en la parte superior se mantenga caliente y el fluido frío debajo se mantenga frío a pesar de estar en un tanque.

Entonces, idealmente, lo que se necesita es un metal líquido que en realidad no se mezcle (transfiera su calor) con tanta facilidad, dijo Neidermeier: “La termoclina perfecta sería donde el fluido caliente y el frío estarían uno sobre el otro sin interactuar, por lo que no habría degradación de termoclinas. Debe minimizar la transferencia de calor entre lo caliente y lo frío para que no haya un área grande que esté tibia. En el peor de los casos, todo el tanque sería la termoclina. Por eso se utiliza material de relleno de baja conductividad que almacena principalmente el calor y amortigua la expansión de la termoclina ”.

En el mismo contexto, una aleación de plomo y bismuto, plomo-bismuto eutéctico (LBE), que por encima de su punto de fusión de 124 ° C demostró ser superior al sodio líquido para el almacenamiento de termoclinas en simulaciones.

“LBE actúa un poco mejor que el sodio porque la conductividad térmica es tres veces menor que la del sodio”, anotó. “Sigue siendo una conductividad térmica alta, pero mantiene un poco mejor la estratificación, se obtiene una división más clara entre frío y calor”.

En el primer paso, probaron este sistema a pequeña escala en el circuito de prueba de metal líquido del laboratorio hasta 380 ° C. Actualmente están comenzando la siguiente ronda con el material de relleno adentro. Luego, el segundo paso sería un sistema a escala piloto de 100 kWh, hasta 500 ° C y luego, hasta 700 ° C. Por lo tanto, hay pasos adicionales antes de la comercialización y aún no están en el último.

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