Nuevas mezclas multicomponente de sales fundidas para aplicaciones como fluidos de almacenamiento térmico en plantas de concentración solar

Resumen

Las plantas comerciales de concentración termosolar acopladas a sistemas de almacenamiento térmico, como la de "cilindro parabólico", emplea como fluido de captación del calor en los tubos absorbedores, un aceite orgánico que descompone a 390ºC, y mediante intercambiadores de calor, la energía es cedida al medio de almacenamiento. Actualmente, se emplea industrialmente la mezcla de sales fundidas inorgánicas "Sal Solar", con un punto de fusión de 227ºC y descomposición de ¿580ºC y alto poder corrosivo sobre los aceros contenedores. El objetivo de este trabajo ha sido realizar un amplio estudio partiendo de seis sistemas binarios para desarrollar formulaciones ternarias y cuaternarias que permitan incrementar la amplitud térmica de la ¿Sal Solar¿, evaluando sus propiedades físico-químicas, mediante técnicas de temoanálisis DSC, TGA y MDSC. Las formulaciones con mejores propiedades, fueron empleadas para estudios de compatibilidad de larga duración con aceros en condiciones ¿dinámicas¿ de flujo. El empleo de estas formulaciones elegidas persigue una reducción en los costes de generación eléctrica de los sistemas de almacenamiento y una mejora medioambiental, realizándose cálculos del LCoE y medioambientales mediante de análisis de ciclo de vida (ACV). En esta investigación han sido obtenidas mezclas de nitratos ternarios y cuaternarios fundamentalmente por adición de nitratos alcalinos y alcalinotérreos a sistemas binarios. Mediante técnicas de temoanálisis. Los sistemas con mayor amplitud térmica que la ¿Sal Solar¿, 32%Ca(NO3)2-58%KNO3-9%LiNO3, 46%NaNO3-19%Ca(NO3)2-35%LiNO3 y 33%NaNO3-22%KNO3-29%Ca(NO3)2-16%LiNO3, fueron seleccionados para su prevalidación industrial. Observando la variación volumétrica con la temperatura, fue estudiada la densidad, y el calor específico mediante calorimetría diferencial de barrido modulado. Además, se evaluó el aumento de la capacidad de almacenamiento mediante la formación de nano-fluidos por la adición de diferentes concentraciones de nano-partículas de Al2O3 a los tres fluidos base y la ¿Sal Solar¿. Así como las propiedades reológicas de los fluidos base, con un reómetro de alta temperatura hasta los 500ºC. Se estudió la compatibilidad de los fluidos sobre aceros constructivos al carbono y ferríticos ¿martensíticos de menor a mayor contenido en Cr, en condiciones reales de operación. Para tal fin, fue desarrollada y patentada la primera planta piloto de laboratorio realizando estudios de larga duración (2000 horas) de la degradación de los materiales en condiciones de ¿flujo acelerado¿ (0.2 m/s). Después de la pre-validación industrial, puede indicarse que ninguna de las mezclas presentó unas cualidades que justifiquen el reemplazo de la ¿Sal Solar¿. La mezcla 32%Ca(NO3)2-58%KNO3-9%LiNO3, con mayor amplitud térmica, al tener un alto contenido en nitrato cálcico fue la que mayor viscosidad presentó en todo el rango de análisis. Mientras que la mezcla 46%NaNO3-19%Ca(NO3)2-35%LiNO3 con una alta densidad energética mejora la capacidad de almacenamiento de la ¿Sal Solar¿, pero su alto precio aumenta el LCoE. En todos los casos, la adición de 0.5% y 1% de Al2O3 aumentó el calor especifico de los fluidos base. Los ensayos de corrosión en la planta piloto de laboratorio a 0.2 m/s y 500ºC, pusieron de manifiesto, que las mezclas con LiNO3, generan el fenómeno de la ¿lituminación¿, formándose capas de óxidos protectoras de LiFe5O8 y LiFeO2, que en el caso de los aceros con cromo compiten con la formación de FeCr2O4 o NiCr2O4. El LiNO3, tuvo un efecto positivo contra la corrosión respecto a la ¿Sal Solar¿, destacando el buen comportamiento del acero ferrítico-martensítico P92 (9%Cr) y el AISI-304 (18%Cr).