Analysis of redox reactions in a fluidized/fixed bed reactor for thermochemical energy storage in solar thermal power plants
- Autores: Sandra Álvarez
- Directores de la Tesis: María Josefina Gonzalez Aguilar (dir. tes.), Juan Mario García de María (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Gutiérrez Martín (presid.), Cecilia García Cena (secret.), Manuel Romero Alvarez (voc.), Marcelino Sánchez González (voc.), Stefania Tescari (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Cada día somos más conscientes de la necesaria reducción de los consumos eléctricos así como de la necesidad de aumentar la cantidad de electricidad de origen renovable. La energía solar tiene el potencial de producir la energía eléctrica requerida para el consumo de la población, pero para ello es necesario implantar un sistema de almacenamiento de energía que permita producir electricidad independientemente de la disponibilidad de luz solar.
El almacenamiento termoquímico de energía térmica, comparado con sistemas de almacenamiento sensible o latente, presenta mayor densidad energética lo que se podría traducir en menores costes del sistema de almacenamiento. Además, almacenar la energía en forma de enlaces químicos, permite su conservación durante un tiempo indeterminado, incluso el transporte de las sustancias químicas para la producción de energía en otro lugar. Por último, el proceso de descarga produce energía térmica de gran calidad en condiciones isotermas lo que permitiría el uso de turbinas de gran eficiencia para la producción de electricidad.
Para desarrollar los sistemas de almacenamiento termoquímico en centrales solares termoeléctricas es necesario seleccionar las reacciones químicas que se dan en ese rango de temperaturas y demostrar su correcto desempeño. Existen numerosas centrales solares con un amplio abanico de condiciones de trabajo, centrándose en una posible futura aplicación de centrales solares de receptor central, la investigación llevada a cabo propone el uso de óxido de manganeso como reactivo básico del sistema de almacenamiento.
En la presente Tesis se ha realizado un concienzudo análisis del uso de óxidos de manganeso como material para almacenamiento termoquímico. Con el óxido de manganeso en polvo, se ha estudiado su cinética, su conductividad térmica, reactividad y morfología. No obstante, considerando que para la aplicación de almacenamiento el material debe ser peletizado, se han desarrollado nuevas metodologías que permiten evaluar las variaciones en la dureza, densidad, porosidad, volumen, morfología y reactividad de los pellets tras la aplicación de diversos tratamientos térmicos. Se ha realizado un estudio pormenorizado del óxido de manganeso puro y también de un óxido de manganeso dopado con un cinco por ciento con hierro. La información obtenida de estos estudios crea la línea base para comparar los cambios sufridos por el material de estudio cuando es sometido a varios ciclos de carga y descarga en un reactor de lecho fijo y/o fluidizado.
En general, las condiciones experimentales que el material tendría en una planta solar, se ha diseñado, construido y puesto a punto una instalación experimental. Esta instalación ubicada en el IMDEA Energía de Móstoles, consta de un reactor y sus sistemas auxiliares capaces de producir caudales de aire hasta 60 Nm3/h desde temperatura ambiente hasta 1100 ºC. Además se han definido todas las variables y parámetros de control, así como las alarmas pertinentes y se ha desarrollado un sistema de adquisición de datos.
Inicialmente el reactor se caracteriza empleando un material inerte, a continuación se realizan ensayos con óxido de manganeso puro y dopado tanto en condiciones de lecho fijo como en lecho fluidizado. El efecto que estos ensayos tienen en el material se evalúa y compara con la información previamente obtenida del material.
Si bien el óxido de manganeso puro mantiene unas buenas propiedades mecánicas, pierde la reactividad en un número muy limitado de ciclos térmicos, lo que hace inviable su aplicación. No obstante, la mezcla del óxido de manganeso con hierro conlleva una gran mejora de las características químicas alcanzándose una estabilidad química, no así de las propiedades mecánicas que no serían suficientes para aguantar la abrasión que sufriría el material en una central solar.
La principal conclusión alcanzada en esta Tesis es que el óxido de manganeso puede servir de sustancia básica principal para el almacenamiento termoquímico de energía térmica, pero se requiere su combinación con otros óxidos metálicos que permitan llegar a un compromiso entre la estabilidad química del material y sus propiedades mecánicas.
