Análisis del comportamiento medioambiental de aceros y fluidos de transferencia de calor implicados en centrales termosolares con tecnología cilindro-parabólica y almacenamiento térmico

Resumen

El presente trabajo de investigación está desarrollado en el entorno de las energías renovables y, particularmente, centrado en las centrales solares térmicas de concentración con arquitectura cilindro-parabólica. La energía termosolar presenta numerosas ventajas entre las que destaca su gestionabilidad gracias a la inclusión del almacenamiento térmico de energía, que se realiza en tanques de acero ocupados por sales fundidas. Es sabido que el contacto entre acero y sal produce problemas de degradación de materiales que se deben subsanar con el avance de la técnica. A su vez, las centrales termosolares cilindro-parabólicas históricamente se han dotado de un circuito primario compuesto por tubos absorbedores de la radiación solar, fabricados en acero, por los que circula el fluido de transferencia de calor, que se trata de un aceite térmico. Es lo que se conoce como un sistema indirecto. El aceite térmico presenta un techo tecnológico en su temperatura de operación máxima lo que supone que, para obtener mejores eficiencias en los ciclos de potencia, se deben buscar nuevos materiales que lo sustituyan, como pueden ser las propias sales fundidas ya que alcanzan temperaturas de operación superiores. Si se contempla el uso de sal fundida simultáneamente como fluido de transferencia de calor y de almacenamiento térmico, se denomina sistema directo y, actualmente, están desarrollándose estudios que fomentan esta tipología. Todo ello, sumado a la necesidad de mejora de las propiedades de aceros y sales previamente indicados, enmarca esta tesis doctoral en un análisis de materiales. Sin embargo, no se trata de un análisis y selección de materiales desde el punto de vista convencional, en el que se estudian las propiedades mecánicas, químicas, térmicas, etc. de los mismos, sino de un análisis medioambiental. De hecho, esto es la principal novedad y aporte de este trabajo. Los aceros estudiados son P92 y 316 para las aplicaciones calientes como son los tubos absorbedores, las conducciones y los tanques de almacenamiento de sales calientes. Y los aceros 516 y T22, que se utilizan en aplicaciones sometidas a temperaturas inferiores como son los tanques de almacenamiento de sales frías. El aceite térmico estudiado es el comercial Therminol y las sales fundidas son la sal solar binaria y la sal solar Hitec. Se caracterizan medioambientalmente los cuatro aceros, las dos sales fundidas y el aceite térmico con la técnica de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) con metodología CML, mediante lo que se obtienen los indicadores: Cambio Climático (GWP100), Agotamiento de recursos abióticos, Agotamiento del ozono estratosférico, Toxicidad humana, Ecotoxicidad terrestre, Formación de oxidación fotoquímica, Acidificación y Eutrofización. Además, se caracteriza la huella hídrica de todos ellos mediante metodología Boulay. Se caracterizan y normalizan de manera unitaria y también se realizan diversas comparativas. El software utilizado para ello fue SimaPro 8. Posteriormente se inventarian las cantidades de estos materiales implicados en dos centrales cilindro-parabólicas reales, haciendo uso de referencias bibliográficas y del software SAM. Una de 50 MW y otra de 150 MW y se analizan con sendos ACVs. De todo ello se obtienen diversas conclusiones entre las que destaca la idoneidad de colocar en las aplicaciones calientes el acero P92 en lugar del 316, por presentar indicadores de impacto medioambiental inferiores en todas las categorías analizadas. Del mismo modo, se comprueba el mejor comportamiento medioambiental del A516 frente al T22 para las aplicaciones frías. Igualmente, de estudiar los fluidos de transferencia de calor, se obtiene que el aceite térmico es trascendentalmente más impactante sobre el medio ambiente que las sales fundidas. De ello se concluye la idoneidad medioambiental de los sistemas directos frente a los indirectos.