El proyecto HelioGLOW, liderado por el instituto de investigación Fraunhofer ISE, ha publicado el informe final con sus resultados. El consorcio de HelioGLOW investigó un nuevo material cerámico de transferencia de calor que incluía un concepto de planta de energía y una pared de aire para el aislamiento térmico del receptor. El objetivo es conseguir centrales termosolares más eficientes y con mejor rendimiento.
Las centrales solares de torre convencionales funcionan con sales fundidas como medio de transferencia de calor, siendo el límite de temperatura de 600ºC, ya que de lo contrario la naturaleza corrosiva de la sal podría causar daños. En el proyecto HelioGLOW, el equipo se basó en un medio de transferencia de calor de estado sólido que permite aumentar las temperaturas de funcionamiento a más de 1.000ºC, aumentando significativamente la eficiencia.
Receptores cerámicos con alta capacidad de calor
En el proceso conceptualmente desarrollado, los portadores de calor se conducen a través del receptor y se calientan directamente, de forma similar a un carrusel. Para ello, se desarrollaron nuevos elementos receptores cerámicos, cuyo material no corrosivo y respetuoso con el medio ambiente se caracteriza por una alta capacidad de almacenamiento de calor. Fabricado en un proceso de reciclaje, el material cerámico también es económico.
El material se caracterizó, en términos de desarrollo de temperatura y estabilidad, en un banco de pruebas en Fraunhofer ISE, que se probó en el simulador solar en el Instituto IMDEA Energía en Madrid. Basándose en los resultados de las mediciones, el equipo del proyecto pudo evaluar el comportamiento del material bajo una radiación solar muy concentrada.
Dado que el nuevo receptor de estado sólido combina receptores de radiación, medio de transferencia de calor y material de almacenamiento en un solo componente, se reducen los costes de construcción de la central eléctrica. Asimismo, se eliminan la resistencia a la transferencia de calor y las limitaciones de densidad de flujo en los receptores de tubo convencionales.
Pérdidas de calor de las centrales eléctricas de torre
Un problema con las centrales eléctricas de torre son las pérdidas de calor por convección que se producen a altas temperaturas y altas concentraciones de luz solar, lo que reduce la eficiencia. Mientras que el aire en el receptor alcanza temperaturas de más de 600ºC, la temperatura del aire ambiente suele oscilar entre 30ºC y 40ºC. A medida que pasa por el receptor, el aire más frío absorbe su calor.
En base a esto, Fraunhofer ISE probó la idea de una pared de aire, formada por fuertes boquillas en la apertura del receptor y que separan los volúmenes de aire. En una configuración de prueba a escala real con alrededor de 50 sensores de temperatura, el equipo utilizó elementos calefactores para simular un receptor con una temperatura de 600ºC.
Los investigadores fabricaron un sistema de pared de aire para la aplicación de alta temperatura específicamente para el proyecto y lo instaló en el banco de pruebas del receptor en Fraunhofer ISE en Freiburg (Alemania). En la configuración de prueba, se midieron las pérdidas de calor por convección con y sin pared de aire y la salida de calor necesaria para alcanzar los 600ºC.
Por otro lado, se determinaron los parámetros operativos adecuados, como el ángulo de las boquillas de la pared de aire y la velocidad de salida del aire, que permitió reducir las pérdidas de calor por convección del receptor en un 30%. La tecnología también se puede utilizar en otras industrias con procesos de alta temperatura, como el sellado de grandes diferencias de temperatura, por ejemplo, en altos hornos, puede reducir las pérdidas.
Torres más pequeñas mediante un helióstato Stellio
En la generación de energía solar térmica, la tendencia es hacia centrales eléctricas de torre más pequeñas. El proyecto HelioGLOW desarrolló un helióstato Stellio, con el objetivo de reducir aún más los costes, optimizando el diseño de la torre y adaptando el diseño a los requisitos de las centrales eléctricas de torre pequeña.
Fraunhofer ISE llevó a cabo mediciones en el helióstato mediante escaneo láser 3D y probó el método para medir rápidamente helióstatos en el campo. Utilizando mediciones deflectormétricas de superficies de espejos en el laboratorio, el equipo analizó los efectos de la deformación en escenarios de carga específicos.
A partir de todos los componentes mencionados, se desarrolló un concepto general en Fraunhofer ISE, que integra el receptor hecho de un medio de transferencia de calor de estado sólido y una pared de aire, así como el helióstato Stellio optimizado en una planta de energía solar térmica.
Para ello, se investigó qué proceso de la central eléctrica es el más adecuado para el acoplamiento y cómo se puede transferir el calor de los cuerpos sólidos al proceso de la central eléctrica. Todo el sistema se modeló en la herramienta de simulación termohidráulica ColSim CSP, se examinó y se evaluó desde un punto de vista tecnoeconómico. De esta forma, se podrían ampliar los modelos técnico-económicos existentes y determinar el diseño y manejo operativo óptimo de una central con los nuevos componentes.