Estudio de nuevos fluidos caloportadores y de almacenamiento térmico y su compatibilidad con materiales de construcción en plantas termosolares

Resumen

El objetivo de esta tesis es aportar soluciones a la tecnología termosolar con el fin de hacerla más eficiente y competitiva. Para ello, la investigación se ha dividido en dos líneas diferenciadas, una centrada en el estudio de nuevos fluidos que permitan un aumento significativo de la temperatura de operación de las plantas termosolares de torre central, y una segunda en la que se analizan materiales estructurales capaces de resistir las condiciones de operación asociadas a estos nuevos fluidos. La línea de investigación de fluidos se centró en la caracterización física y térmica de la mezcla eutéctica de carbonatos de composición 32% Li2CO3 - 33% Na2CO3 - 35% K2CO3 y en la búsqueda de aditivos que redujeran la temperatura de fusión de esta formulación. También se estudió por primera vez el impacto medioambiental asociado a estos carbonatos. Mediante distintas técnicas instrumentales, se determinaron las temperaturas de fusión, congelación y degradación del eutéctico de carbonatos, así como el calor específico y la densidad energética, la densidad y la viscosidad. Una de las principales aportaciones de esta tesis es que, en base a los resultados experimentales, se proponen expresiones para el cálculo de todas las propiedades con la temperatura. Con el objetivo de disminuir la temperatura de fusión del eutéctico de carbonatos, se estudió el impacto de adiciones de Ba(NO3)2, NaNO3 y Ca(NO3)2 sobre dicha mezcla. Las adiciones que provocaron una mayor reducción de la temperatura de fusión fueron: 5% Ba(NO3)2, 5% NaNO3 y 1,5% Ca(NO3)2. Los resultados mostraron que la estabilidad de los nuevos fluidos disminuía como efecto de las adiciones. A pesar de esto, las mezclas con adiciones del 5% NaNO3 y 1,5% Ca(NO3)2 resultaron ser más eficientes energéticamente que la mezcla base cuando se plantea su utilización en plantas termosolares que trabajen a 650 ºC y 700 ºC respectivamente. El impacto medioambiental de todos los fluidos fue analizado mediante la herramienta de análisis de ciclo de vida (ACV) y comparado con la Sal Solar. Los resultados indicaron que el uso de los carbonatos reduce el consumo de energía y las emisiones de gases contaminantes en comparación con la Sal Solar. Sin embargo, los carbonatos conllevan un mayor consumo de recursos hídricos. La línea de investigación de materiales se centró, en una primera fase, en determinar qué tipo de aleaciones, aceros austeníticos o base níquel, eran más adecuados para trabajar con la mezcla de carbonatos y acotar la temperatura máxima de utilización, considerando el fenómeno de la corrosión. Los resultados de esta primera etapa desaconsejaron completamente la utilización de aleaciones base níquel; sin embargo, mostraron resultados prometedores para los aceros austeníticos con porcentajes en peso de hierro superiores al 50%, y de cromo y níquel en torno al 25% y 20% respectivamente. La temperatura óptima de utilización del eutéctico 32% Li2CO3 - 33% Na2CO3 - 35% K2CO3, desde el punto de vista de los materiales, resultó ser de 700 ºC. En una segunda fase, y teniendo en cuenta la temperatura definida, se estudió el impacto del contenido de hierro, cromo y níquel en los mecanismos de corrosión. Los resultados permitieron descartar la utilización de aceros con contenidos en cromo y níquel inferiores al 20% y 15% respectivamente. Los aceros comerciales, HR3C y AISI 310, con tasas de corrosión inferiores a 100 micras/año, mostraron resistencia a la corrosión suficiente como para trabajar con la mezcla ternaria de carbonatos. Los resultados de la investigación mostraron que la implantación de la mezcla 32% Li2CO3 - 33% Na2CO3 - 35% K2CO3, combinada con la utilización de aceros austeníticos con contenidos del 55% de hierro, 25% de cromo y 20% de níquel, permitiría aumentar la temperatura de operación de la tecnología termosolar hasta los 700 ºC. Esto llevaría asociado un aumento potencial del 20% en la generación eléctrica de las plantas termosolares de torre central.