Almacenamiento termoquímico de energía basado en óxidos mixtos de manganeso y hierro: estudio experimental y simulación

Abstract

En la actualidad, aproximadamente el 80 % de la demanda energética mundial proviene de los combustibles fósiles, generando una serie de problemas medioambientales, sociales, y económicos, como la constante subida de precios y la dependencia de los países productores. De este modo, se requiere un desarrollo controlado, que procure proteger y preservar el entorno que nos rodea, tanto desde un punto de vista físico como social. Esta búsqueda de un crecimiento económico acorde con el medio ambiente recibe el nombre de desarrollo sostenible. Como consecuencia de esto, ha surgido la necesidad de establecer un nuevo sistema energético en el que las energías renovables desempeñen un papel relevante. No obstante, cuando se habla de energías renovables en lo primero que se piensa es en sus beneficios, ya que son inagotables y limpias. Pero presentan el problema de una constante intermitencia, que delimita las horas de producción. Pues es aquí cuando surge la idea del almacenamiento, que puede ser tanto eléctrico como térmico. Los sistemas de almacenamiento térmico de energía tienen el potencial de aumentar el uso efectivo de los equipos de energía térmica. Existen 3 tipos principales de este tipo de almacenamiento: los sistemas de almacenamiento de calor sensible, de calor latente, y a través de procesos termoquímicos. Este último tipo, que se basa en reacciones redox reversibles, es el que va a ser estudiado en el proyecto. Las ventajas más destacadas de este mecanismo es su alta densidad energética en comparación con los otros dos mencionados, necesitando menos espacio, menos masa y liberando una cantidad de energía mayor. También permite trabajar a altas temperaturas (1000 ºC) para el acoplamiento a la tecnología solar de concentración. Este proyecto surge de la idea de desarrollar un nuevo material que haga viable el almacenamiento termoquímico para las plantas de energía solar de concentración, así como la búsqueda de su integración en el proceso energético. Se ha seleccionado el óxido de manganeso como sistema de almacenamiento termoquímico. Pero este tipo de material presenta el problema de su relativa baja densidad energética en comparación con otros óxidos a la hora del almacenamiento. Para la solución del mismo se estudiará la adición progresiva de un óxido secundario, que en este caso será el óxido de hierro (III). Este material se ha escogido debido a dos razones: a) Presenta una mayor densidad energética por lo que puede mejorar la capacidad del almacenamiento b) Su coste económico. Uno de los objetivos de este trabajo es conocer cómo se comportan los óxidos mixtos (cuya fórmula es Mn (2-x) FexO3) en condiciones semejantes a las que están sometidos en los procesos de almacenamiento térmico en las centrales solares. Dichas condiciones se han simulado con una termobalanza, permitiendo evaluar la ganancia y pérdida de masa que sufre el material, y la velocidad de los procesos de reducción y oxidación. La evaluación de los datos permite saber que empleando el rango de temperaturas fijado (650-1000 ºC), las muestras no cumplen los objetivos deseados para el proyecto(a excepción de aquellas con bajos contenidos en Fe) debido a que no se completa la reacción de reducción en la muestras con mayores contenidos en Fe. Sin embargo, si se aumenta el rango de las temperaturas de operación (650-1100 ºC) se consigue que en todas las muestras, el material reaccione por completo. Se han utilizado técnicas instrumentales para caracterizar la estructura, composición y morfología de cada muestra sintetizada en el laboratorio. En cuanto a la estructura, se ha empleado la técnica de difracción de rayos X (DRX) y se observó que en todas las muestras analizadas, después de la calcinación del material tras la síntesis, presentan la estructura del Mn2O3. La composición se ha determinado por la técnica ICP-OES manifestando la diferencia entre lo teórico y lo experimental. En cuanto a las imágenes obtenidas mediante la microscopía de electrones de barrido, para estudiar la morfología se aprecia que, en función del contenido en Fe, existen signos de aglomeración, así como dos tipos diferentes de partículas. Después de los ciclos termoquímicos se aprecia sinterización de las partículas haciéndose cada vez más notable en función del número de ciclos. Los datos recogidos en la parte experimental del trabajo permite conocer el rango de temperaturas a las que el reactor debe funcionar, así como la adecuada selección del material de almacenamiento. A partir de ahí, se estudia la integración del material en una central solar de receptor central operando a muy alta temperatura de 16,67 MW, con la ayuda del software Thermoflow. Se ha hecho un análisis comparativo del gasto de combustible que supone utilizar este tipo de almacenamiento, observándose un mayor gasto que en la central que carece de él. Además se explica el funcionamiento básico de la central, así como los parámetros más importantes para la optimización de su eficiencia. Las dos grandes conclusiones a las que se ha llegado, han sido que a una mayor cantidad de Fe, mayor es la temperatura que necesita el material tanto para reducirse como para oxidarse, provocando que actualmente no se pueda acoplar a una central solar de torre. Y que para integrar el óxido de manganeso puro como material de almacenamiento de energía se consume una mayor cantidad de combustible que si no se emplease.