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¿Heatcrete o sales fundidas?

Este artículo es el primero de la serie Panel de Expertos, un espacio en el que dos especialistas exponen su opinión respecto a un tema propuesto por CSP Today.

En esta ocasión, Juan Barragán (NEST AS) y Mark Schmitz (TSK Flagsol Engineering GmbH) debaten sobre lo siguiente: ¿Heatcrete o sales fundidas?

Heatcrete – Juan Barragán, NEST AS

El grupo noruego NEST AS cree que su tecnología patentada de almacenamiento de energía térmica, Heatcrete, es más competitiva que otros sistemas de almacenamiento, incluidos los que se basan en sales fundidas. Para explicar por qué está Juan Barragán, ingeniero sénior de sistemas de energía térmica en NEST, que ha cursado un máster en ingeniería especializado en el proceso industrial químico.

“En NEST AS, hemos desarrollado una tecnología de almacenamiento de energía térmica nueva y rentable. Este versátil sistema de almacenamiento de energía térmica en estado sólido puede aplicarse a la energía de concentración solar y a otras aplicaciones. La energía térmica se almacena en un medio basado en hormigón que se ha desarrollado junto a Heidelberg Cement: Heatcrete. Un sistema de almacenamiento está compuesto de un gran número de elementos que están conectados.

El fluido de transferencia térmica (el mismo que se utiliza en la instalación solar) fluye dentro de los elementos del Heatcrete, transfiriendo la mayoría de la energía durante el período de carga o absorbiéndola durante el período de descarga. La tecnología de NEST ofrece un sistema escalable totalmente modular, sencillo y rentable. Por su parte, el tamaño comercial podría ir desde unos pocos MWhth hasta varios GWhth. En comparación con los sistemas de sales fundidas, la tecnología de almacenamiento de energía térmica de NEST puede ser muy rentable para los sistemas en la escala de MWhth.

El margen de temperatura que podría guardarse dentro del almacenamiento en estado sólido va desde – 0 ºC hasta más de 600 ºC. Y un margen de temperaturas tan amplio como este es beneficioso para instalaciones que utilizan otros tipos de fluido de transferencia térmica como el vapor o los fluidos de nueva generación. De hecho, el amplio margen de temperaturas compatible con el almacenamiento facilita muchas finalidades diferentes, aparte de prolongar la generación de la turbina, como precalentar el fluido de transferencia térmica, o la unidad energética, además de evitar la congelación sin riesgos para la instalación.

Solución rentable

El sistema de almacenamiento de NEST presenta menos gastos de capital que los sistemas de sales fundidas debido a la simplicidad y modularidad del diseño. Básicamente, la idea es tener la misma unidad repetida tantas veces como sea necesario para lograr la capacidad esperada. Es posible evitar circuitos externos con bombas y diferentes fluidos para ahorrar una parte importante en la inversión. Asimismo, gracias al medio de almacenamiento en estado sólido, la cantidad de seguimiento eléctrico y calentadores necesarios en la solución de NEST también es insignificante en comparación con los sistemas de sales fundidas.

En lo relativo al suministro y la construcción de un dispositivo de almacenamiento, la solución de NEST también es más competitiva que otros sistemas porque la mayoría de los componentes para el almacenamiento puede conseguirse a nivel local (sobre todo los conglomerados de hormigón y acero) en muchas regiones de todo el mundo.

Además, el sistema de almacenamiento de NEST presenta unos gastos de explotación inferiores porque la principal pieza de las cargas parasitarias procede de las bombas del fluido de transferencia térmica y no del propio almacenamiento. Asimismo, el resto de la instalación presenta un consumo de electricidad muy bajo. Por este motivo, las cargas parasitarias cuando el almacenamiento está en modo de espera son insignificantes. También cabe señalar que casi la mitad de los componentes utilizados son similares a los que se utilizan normalmente en plantas solares, como los materiales de construcción, los instrumentos y las válvulas. Solo esto reduce drásticamente el inventario de piezas de repuesto en una planta y el período de formación necesario para el equipo de I+D.

Diseño sencillo y sólido

Se ha diseñado el medio de almacenamiento de Heatcrete para que no requiera mantenimiento. Se ha demostrado que el hormigón estándar es un material fiable capaz de soportar millones de ciclos de estrés durante las denominadas cargas proporcionales en el sector de la construcción. En el caso de un almacenamiento térmico, Heatcrete normalmente experimenta un ciclo al día en el curso de 30 años. Esto representa simplemente 10 000 ciclos de estrés térmico a lo largo de los ciclos de este período. Esto se considera fatiga de ciclo baja; por tanto, la vida esperada del Heatcrete es muy superior al ciclo de vida de la planta. Por su parte, los conductos de acero soldados también requieren poco mantenimiento, así que la parte principal del mantenimiento debería centrarse en la interfaz entre el almacenamiento y el resto de la instalación solar. Y esto no es lo que ocurre en otras alternativas del almacenamiento de energía térmica.

La manera de explotar el sistema es muy similar al resto de la planta solar porque todos los elementos gestionados durante la explotación son bastante similares al resto de componentes instalados en la planta. Por tanto, el mismo equipo con las mismas destrezas que trabajan en la instalación solar puede encargarse del sistema de almacenamiento variando simplemente el flujo a través del almacenamiento de energía térmica.

Además, el diseño ofrece un rendimiento muy flexible y sólido y, como consecuencia, los períodos de desconexión previstos para la tecnología de almacenamiento de energía térmica de NEST serán mínimos, mientras que podría esperarse que se produjeran desconexiones a largo plazo en sistemas de sales fundidas debido a la complejidad del fluido (tapones de sal, corrosión, derrames, etc.).

La puesta en marcha y el primer funcionamiento de la instalación de NEST es más sencillo que el de los sistemas de sales fundidas. El calentamiento inicial se realiza cuando el fluido de transferencia térmica fluye mediante el almacenamiento condicionado previamente con una unidad externa. Esta importante fase, que es crucial para el rendimiento de cualquier almacenamiento, es más sencilla de controlar que para los depósitos de sales fundidas con precalentamiento y proceso de fundir sales.

Comparación de rendimiento

Al analizar el rendimiento del almacenamiento, la solución de almacenamiento de energía térmica de NEST presenta un rendimiento muy diferente en comparación con la tecnología de sales fundidas. La principal diferencia es que la temperatura de salida del almacenamiento va a disminuir durante la descarga y la temperatura de entrada aumentará durante el período de carga, mientras en los sistemas de sales fundidas, las dos temperaturas son constantes.

El rendimiento intrínseco aporta a la producción energética de la turbina una constante para las sales fundidas y disminuye en el sistema de NEST. En términos de producción bruta, la cantidad de electricidad en una planta de sales fundidas podría ser superior, pero si analizamos el valor neto, donde las cargas parasitarias que se consumen durante la producción deberían restarse, es posible concluir que el almacenamiento de energía térmica de NEST presenta una mejora de rendimiento. Como resultado del rendimiento proporcional de la turbina que funciona con el almacenamiento de NEST, nos dimos cuenta de que para un determinado período de tiempo, el rendimiento de la turbina era también superior en comparación con un sistema de sales fundidas. Puede utilizarse esta opción para proyectos en los que la tarifa del acuerdo para la compra de energía sea superior en las primeras horas de la descarga.

En cualquier caso, tomar una decisión sobre el mejor sistema de almacenamiento de energía térmica es una tarea complicada y es necesario analizar y evaluar varios factores. Por muchos de estos, el almacenamiento de NEST es la alternativa más competitiva”.

Juan Barragán,


Ingeniero sénior para sistemas de energía térmica,


NEST AS.

Sales fundidas – Mark Schmitz, TSK Flagsol Engineering

Mark Schmitz, responsable de tecnología e innovación en TSK Flagsol Engineering GmbH, apoya el desarrollo de tecnología para plantas de CSP en la empresa alemana, que ha desarrollado el diseño conceptual para el primer sistema comercial de almacenamiento de energía térmica en sales fundidas y ahora actúa, principalmente, como contratista EPC. Con experiencia en colectores lineales Fresnel, plantas cilindroparabólicas, sistemas de receptor central y sales fundidas para almacenamiento y transferencia térmica, explica por qué las sales fundidas ofrecen muchas ventajas al propietario de una planta de CSP.

“La ventaja principal de la CSP frente a la eólica y la fotovoltaica es la capacidad de suministro que se debe a los sistemas integrados de almacenamiento de energía térmica. El sistema de almacenamiento de energía térmica más antiguo y, por tanto, el más utilizado en el sector energético emplea sales fundidas. Se desarrolló para Solar Two (1995) y un consorcio alemán lo adaptó para utilizarlo en sistemas con enfoque lineal alrededor de Flagsol y se utilizó por primera vez a nivel comercial en Andasol 1 (2009). De hecho, actualmente está funcionando en más de una docena de plantas comerciales, incluido un sistema de torre. La capacidad de almacenamiento total basta para generar más de 5700 MWh de electricidad cada noche.

Además, los sistemas de almacenamiento de energía térmica en sales fundidas pueden subdividirse en sistemas directos e indirectos. En los sistemas directos, la sal “fría” pero todavía líquida se saca de un depósito, actúa como fluido de transferencia térmica enfriando el receptor solar y se almacena en el depósito caliente, desde donde se extrae para generar vapor cuando sea necesario. En los sistemas indirectos, se calienta un fluido de transferencia térmica principal (normalmente, un tipo de petróleo) en el receptor y puede calentarse en paralelo un sistema de almacenamiento de energía térmica o generar vapor. En cualquier caso: “Panta rhei, todo fluye” y la transferencia térmica se logra de manera eficiente mediante la convección. Los efectos de la transmisión de calor, que provoca una transferencia térmica no constante, son insignificantes.

Las sales de nitrato, sobre todo por encima de los 400 ºC, requieren una consideración minuciosa de la calidad del material de los recipientes contenedores, los conductos y las bombas. Esto implica un efecto importante en la economía de escala (es decir, cuanto más grande, mejor) mientras que la capacidad de almacenamiento, proporcional al volumen del depósito, aumenta con más rapidez que la superficie. Por otro lado, la presión hidroestática incrementa la tensión en las paredes del depósito al aumentar la altura y el diámetro, lo que produce capacidades óptimas de, aproximadamente, 30 000 toneladas.

Obviamente, no hay un límite superior, como muestra la planta Solana con seis pares de depósitos. Los tamaños del sistema bastante inferiores al tamaño óptimo mencionado presentan costes concretos cada vez más elevados. Otra desventaja es que el cambio de un sistema como este no es muy flexible una vez que se ha construido ya que requiere un análisis exhaustivo de la necesidades presentes y futuras del suministro.

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica basados en sales fundidas ofrecen un gran número de ventajas para el propietario de una planta de CSP:

– El coste concreto del almacenamiento es bajo. Las sales de nitrato son un producto básico a granel e incluso si aumenta su uso por parte del sector de la CSP no afectará a las grandes cantidades que consume el sector de los fertilizantes. Las plantas energéticas Andasol, con dificultades por la cadena de suministro porosa y el elevado esfuerzo de ingeniería, solo podrían ser económicamente viables mediante la implementación de un sistema de almacenamiento de energía térmica en sales fundidas.

– En sistemas de almacenamiento basados en sales fundidas, la energía de descarga y la energía de carga nominales son prácticamente independientes de la capacidad de almacenamiento, solo dependen de las bombas que transportan la sal caliente o la sal fría, respectivamente, y los intercambiadores térmicos.

– Los sistemas bien diseñados cuentan con una determinada redundancia en algunos componentes para que, incluso en el caso de que falle una bomba, el sistema pueda funcionar con un rendimiento nominal. De hecho, pueden ajustarse los niveles de fiabilidad en función de las necesidades de los propietarios de las plantas.

– Mientras que las masas de sal en los dos depósitos tienen una temperatura relativamente homogénea, la energía para la carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía térmica puede controlarse fácilmente al controlar el flujo másico. El hecho de que predomine la transferencia térmica convectiva afecta a la capacidad de explotar el sistema de almacenamiento de energía térmica desde que está lleno hasta que se vacía, y viceversa, a una energía máxima. Por su parte, los sistemas que dependen de una transferencia térmica conductiva, como el almacenamiento con materiales de cambio de fase o sólidos, presentan una carga y descarga discontinua. Durante la descarga, estos sistemas muestran una disminución de la temperatura de salida o permiten únicamente una reducción cada vez mayor de los flujos másicos hacia el final del proceso.

– Los sistemas son muy eficientes. El fluido de transferencia térmica solo entra en contacto con superficies de intercambio térmico, no hay flujo en las regiones del almacenamiento de energía térmica que ya están (des)cargadas. Esto permite que los conductos sean cortos y haya pocas curvaturas. Entonces, solo se aprecian pequeñas pérdidas de presión y un consumo muy bajo para la carga y descarga.

– Debido a la forma redondeada (los depósitos de almacenamiento de energía térmica en sales fundidas son cilíndricos y tienen cubiertas abovedadas), las pérdidas térmicas son bajas. La eficiencia del recorrido es de entre un 98 % y un 99 %.

– Está prevista una degradación mínima en la capacidad y en la energía de transferencia térmica, por ahora, no se ha observado nada en los cinco años de funcionamiento.

– El gran número de sistemas que funcionan satisfactoriamente permite un acceso sencillo a la financiación.

En resumen: Los sistemas de almacenamiento permiten que los operadores de plantas de CSP ofrezcan electricidad de manera predecible y utilicen de manera óptima las tarifas variables de alimentación. Asimismo, los sistemas de sales fundidas son una tecnología probada y ofrece una excelente capacidad de financiación. Como muchos estudios y actividades de I+D en el sector de la CSP indican, existe una sólida tendencia para calentar directamente sales fundidas en los receptores para todos los tipos de colectores (ya sea la torre, Fresnel o cilindroparabólica) debido a las ventajas termodinámicas que ofrecen las temperaturas superiores”.

Mark Schmitz, Responsable de tecnología e innovación, TSK Flagsol Engineering GmbH.


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