El primer reactor de combustibles solares del mundo para la noche p

La química alimentada por energía solar tiene una desventaja: las reacciones se detienen por la noche. Ahora los científicos tienen una solución.

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imagen: CONTISOL se probó en Colonia, Alemania, utilizando "soles" simulados, en lugar de un campo solar real, y también se simuló el almacenamiento y el intercambiador de calor, porque el reactor mismo es la innovación que se está probando.ver más

Crédito: DLR

Investigadores internacionales de energía solar térmica han probado con éxito CONTISOL, un reactor solar que funciona con aire, capaz de producir cualquier combustible solar como el hidrógeno y funcionar de día o de noche, porque utiliza energía solar concentrada (CSP) que puede incluir almacenamiento de energía térmica.

La promesa de los combustibles solares es que podríamos tener combustibles sin carbono como el hidrógeno sin las emisiones de carbono dañinas para el clima que se necesitan para producir hidrógeno a partir del gas natural hoy en día, por lo que perfeccionar los reactores solares es clave para un futuro con energía 100 % limpia.

En lugar de quemar un combustible fósil para obtener el calor necesario para impulsar el proceso de química térmica, para reacciones químicas como separar H2 (hidrógeno) de H2O, los científicos han estado probando varios tipos de reactores calentados por la forma térmica de la energía solar CSP, que utiliza espejos. para concentrar el flujo solar en un receptor.

Para lograr calor sin carbono para las reacciones termoquímicas, que pueden funcionar a temperaturas de hasta 1500 °C, los expertos consideran que el calor directo de la CSP es una fuente de energía limpia más eficiente que la electricidad fotovoltaica o eólica.

Habrá un suministro ilimitado de luz solar durante siglos y no habrá consecuencias climáticas cuando la termoquímica sea impulsada por la energía solar. La única desventaja en comparación con la quema de energía fósil es que el sol se pone por la noche.

Solar nocturno a través de CSP

Ahora, un grupo de científicos del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) con el apoyo del Laboratorio de Tecnología de Aerosoles y Partículas de CPERI/CERTH Grecia ha construido y probado un nuevo diseño de reactor solar que incluye almacenamiento para que pueda proporcionar calor las 24 horas del día como el actual método de combustión fósil, pero sin las emisiones.

Su artículo, Fabricación y prueba de CONTISOL: un nuevo receptor-reactor para termoquímica solar diurna y nocturna, se publicó en diciembre de 2017 en Applied Thermal Engineering.

"Los reactores solares en el pasado han tenido el problema de lo que haces por la noche cuando no tienes sol, o incluso cuando pasan las nubes", dijo el autor principal del artículo, Justin Lapp, ex integrante del DLR y ahora profesor asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Maine.

Lapp explicó que cuando baja la temperatura, es posible que sea necesario detener la reacción o reducir la velocidad de flujo de los reactivos, lo que reduce la cantidad de productos que se obtienen. Si el reactor se apaga por la noche, se enfría, no solo desperdiciando el calor residual, sino que comienza de cero a la mañana siguiente.

Cómo funciona

"Entonces, la idea principal de CONTISOL era construir dos reactores juntos", dijo. "Uno en el que la luz solar realiza directamente el procesamiento químico. El otro lado para almacenar energía. En los canales químicos, las altas temperaturas del material impulsan la reacción química y se obtiene un cambio de reactivos a productos dentro de esos canales, y en los canales de aire más fríos". el aire entra por delante y el aire más caliente sale por detrás".

Al combinar capacidades de almacenamiento con un reactor termoquímico solar directo, obtienen lo mejor de ambos mundos, temperaturas estables las 24 horas del día, pero también la fuente de calor más eficiente para realizar reacciones porque es directa, por lo que "no tiene tantas pérdidas con múltiples pasos entre la luz del sol y la química que está sucediendo".

CONTISOL utiliza un receptor de aire abierto, basado en el receptor de aire volumétrico operado en su torre solar de prueba en Julich por DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), que puede calentar el aire a 1100 C. Allí, un receptor de aire abierto toma aire del atmósfera y la jala a través de pequeños canales en un material monolítico.

"El nuestro es un receptor de aire volumétrico como este", dijo Lapp. "El centro es un monolito extruido; un cilindro grande con muchos canales rectangulares más pequeños. Cada dos filas de canales se utilizan para la química o para pasar aire a través del monolito. Estos canales están abiertos al frente para permitir que la luz del sol entre y se caliente. este material monolítico".

La prueba original utilizó carburo de silicio para el receptor multicanal, pero los científicos planean probar Inconel, una aleación de metal más dura para el receptor.

"El carburo de silicio es un poco difícil de fabricar porque no se puede mecanizar tan bien como un metal. Por lo tanto, obtener tolerancias muy estrictas puede ser difícil. No es demasiado costoso, pero no es el material más fácil para trabajar en la fabricación", relató. .

Se necesitan temperaturas entre 800 y 900 C para reorganizar las moléculas de agua o hidrocarburo en la mayoría de los combustibles solares, por lo que ese era el objetivo de temperatura. El reactor prototipo funcionó con éxito a 850 C a escala de laboratorio: 5kW.

CONTISOL se probó en Colonia, Alemania, utilizando "soles" simulados, en lugar de un campo solar real, y también se simuló el intercambiador de calor y almacenamiento, ya que el reactor mismo es la innovación.

“Esta báscula es un prototipo científico simplemente para que entendamos cómo controlarla. No se comercializaría a 5 kW”, dijo. "Comercialmente, 1-5 MW serían los más pequeños para reactores a escala industrial, y podrían escalar a 100 MW o incluso más".

"En nuestro caso, estamos haciendo el reformado de metano como ejemplo. Pero no está ligado al metano, podría generar una gran cantidad de combustibles solares. Uno interesante es la producción de hidrógeno a partir del ácido sulfúrico como material de ciclo. Cuando se evapora el ácido sulfúrico a aproximadamente 400 C en vapor y SO3, no es corrosivo, por lo que incluso puede usar componentes de acero inoxidable".

¿Por qué el aire como medio de transferencia de calor?

La transferencia del calor en el aire abre opciones para sistemas de almacenamiento de alta eficiencia como el almacenamiento termoquímico o el almacenamiento de calor latente en cobre o aleaciones de cobre que se funden entre 900 y 1100 C.

Las ventajas del aire son que es accesible, de libre disponibilidad y abundante. El aire no es corrosivo y cualquier fuga sería intrascendente, por lo que no necesita estar contenido en un circuito cerrado, explicó.

"Puede extraer aire de la atmósfera y luego pasarlo por el intercambiador de calor para almacenar el calor. Y luego puede expulsar ese aire una vez que se enfría".

Con otros materiales de transferencia de calor, “tienes que asegurarte de que el sistema esté sellado por todas partes y si pierdes algo debes comprar más para recuperarlo. Con aire no tienes ese problema”.

A diferencia de muchos medios de transferencia de calor, que pueden cambiar su estructura molecular a altas temperaturas, el aire se mantiene estable a altas temperaturas.

Sin embargo, un receptor de aire parecería descartar reacciones químicas usando líquidos como el agua. No es así, dijo Lapp.

"Hay muy pocos líquidos que permanezcan líquidos en el rango de 600 a 800 grados que nos interesan", explicó. "La mayoría de las reacciones químicas con las que tratamos son con gases como el metano o con materiales sólidos como las reacciones de óxido de metal.

Incluso la división del agua se realiza a una temperatura tan alta que el agua no es líquida, sino vapor.

"El agua que ingresa como vapor hace que sea mucho más fácil diseñar el receptor. No tienes los problemas de la expansión del vapor mientras hierve. Es más fácil mantenerlo hermético para el vapor que para el líquido", dijo. Entonces, para preparar el agua para dividirla, primero se herviría hasta convertirla en vapor directamente en la torre.

"En estos reactores solares de alta temperatura, el punto central de la torre donde se enfocan todos los espejos es el mejor para la química de alta temperatura. Obtenemos un flujo muy alto en el centro para llegar a 600 - 800 C. Pero siempre hay un montón de radiación desperdiciada alrededor del exterior; todavía hay suficiente luz para calentar a 200 - 300 C, no lo suficiente para la química pero sí suficiente para evaporar el agua y convertirla en vapor", señaló Lapp.

Los primeros reactores termoquímicos fueron nucleares.

La investigación sobre el uso de reactores para realizar termoquímica se originó en los años 60 con la energía nuclear, pero se abandonó una vez que los investigadores no pudieron lograr que las reacciones nucleares alcanzaran las temperaturas necesarias. Muy pocos diseños de reactores nucleares pudieron alcanzar los 800 C.

Pero más recientemente, los reactores solares han retomado esta investigación en termoquímica, basada en el calor solar en lugar de la nuclear. Ya están alcanzando temperaturas entre 800 C y 1500 C a escala piloto, usando luz solar altamente concentrada.

Los reactores solares no incluyen el gran bloque de energía de una planta de CSP, que es una central térmica completa que produce electricidad (excepto con el calor suministrado por el sol). Los reactores solares no necesitan la gran turbina o generador para generar electricidad, sino que solo consisten en una torre, un campo solar, un receptor y la cámara de reacción. A esto CONTISOL le suma un sistema de almacenamiento, transfiriendo el calor del aire al intercambiador de calor.

Para producir hidrógeno por ejemplo, un reactor solar tipo CONTISOL estaría compuesto por un campo solar de heliostatos (espejos), una torre, un receptor de aire y el almacenamiento de calor. Los espejos reflejarían la luz del sol en el receptor de aire; calentar el aire en dos juegos de cámaras pequeñas que dirigen el aire a la cámara de reacción para la reacción termoquímica o al almacenamiento de calor.

Luego, el hidrógeno podría usarse en más reacciones, si lo hubiera almacenado para mantenerlo caliente durante la noche, o lo sacaría de la cámara de reacción en la torre para comprimirlo, llenar un tanque y expulsarlo.

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Ponencia: Fabricación y ensayo de CONTISOL: Un nuevo receptor-reactor para termoquímica solar diurna y nocturna

http://www.solarpaces.org/wp-content/uploads/Fabrication-and-testing-of-CONTISOL-A-new-receiver-reactor-for-day-and-night-solar-thermochemistry.pdf

Acerca de SolarPACES:

SolarPACES (Solar Power And Chemical Energy Systems) es una colaboración internacional entre investigadores que promueven la energía solar térmica, que abarca la generación de energía solar flexible y gestionable, el almacenamiento de energía térmica, las aplicaciones industriales y los combustibles solares termoquímicos.

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Ingeniería Térmica Aplicada

10.1016/j.applthermaleng.2017.08.001

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