El receptor centrífugo desarrollado por el DLR ha alcanzado temperaturas de 965 °C en la salida del receptor durante las pruebas realizadas en Alemania, frente a los 565 °C de los sistemas de energía solar de concentración convencionales, según informa Reuters Events CSP en su último boletín. Las temperaturas más altas aumentan la eficiencia de la central y el DLR tiene intención de demostrar la posibilidad de alcanzar temperaturas superiores a los 1000 °C en el Centro Nacional de Pruebas Térmicas Solares de Sandia (NSTTF, por sus siglas en inglés) en Nuevo México en 2021-22.
HiFlex, nombre dado a este proyecto europeo, integrará, por primera vez, el receptor de partículas cerámicas y el generador de vapor, construido ex profeso, en una sola central. También busca demostrar que este diseño integrado puede utilizarse en ciclos de Rankine de alta eficiencia para la generación de electricidad. La iniciativa, en la que participarán once empresas de siete países, recibirá 13,5 millones de euros del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea.
Barilla, los primeros en probar la nueva tecnología
HiFlex producirá 3.360 MWh de energía térmica por año, alrededor del 6% de las necesidades anuales de calor de la fábrica que Barilla tiene en Foggia, con lo que reducirá su dependencia del gas natural. Empresas como Barilla deben reducir su uso de combustibles fósiles para calefacción, así como el suministro de electricidad, a fin de cumplir los objetivos de reducción de carbono. Esta compañía italiana posee numerosas marcas de pasta, panadería y salsas y gestiona nueve fábricas de pasta en todo el mundo. En 2019, la empresa consumió 165 GWh (590 GJ) de energía térmica de fuentes no renovables.
"Este tipo de central podría instalarse en todas nuestras fábricas de pasta", dijo Luca Ruini, vicepresidente de seguridad, medioambiente y energía de Barilla, a Reuters Events. La tecnología también podría probarse en otros procesos de producción de alimentos que requieran agua sobrecalentada, como en la elaboración de salsas, añadió Ruini.
Martina Neises-von Puttkamer, líder del grupo de tecnología de sistemas de partículas del DLR, ha indicado que también están estudiando el despliegue de la tecnología en otras industrias donde se requiere calor de alta temperatura, como la minería y la metalurgia. En el marco del consorcio PREMA, financiado por la UE, el DLR ya está probando el uso de subproductos de gases industriales y de energía solar térmica para reducir las emisiones de carbono de la producción de manganeso.
Planteamiento centrado en la torre
La central de HiFlex utilizará helióstatos instalados en un área de 6.000 metros cuadrados para dirigir el flujo solar a un receptor de partículas cerámicas montado en la torre solar. El receptor rota y ejerce una fuerza centrífuga con el fin de mantener en movimiento las partículas oscuras de bauxita, un material similar a la arena, por toda la pared de la cámara.
Como medio de transferencia de calor (HTM, por sus siglas en inglés), la bauxita puede funcionar a entre 400 °C y 1000 °C. Esto supone el doble del intervalo de temperaturas (de 290 a 565 °C) alcanzable por los sistemas solares de concentración convencionales de sales fundidas, por lo que se incrementaría la eficiencia térmica.
HiFlex contará con un receptor de 2,5 MWth, un sistema de almacenamiento de energía térmica de 20 MWh y un generador de vapor de 0,8 MWth que proporcionará vapor a 620 °C. La central generará una potencia térmica máxima de 2,5 MW alrededor del mediodía y utilizará el almacenamiento para proporcionar un suministro de calor las 24 horas del día de 800 kW. Tras una reducción de la presión y la temperatura, el calor de proceso se suministra a Barilla a 135 °C.
Las métricas clave de rendimiento que se analizarán incluyen el flujo solar entrante, la temperatura de entrada y salida del receptor y el flujo másico de las partículas, según dijo Neises-von Puttkamer. También se prestará especial atención al rendimiento del generador de vapor, que debe soportar gradientes de temperatura de hasta 15 °C por minuto y diferencias de temperatura de más de 600 °C entre la parte superior e inferior.
El diseño
El sistema de partículas de alta temperatura de HiFlex requiere un diseño de generador de vapor a medida. El grupo de ingeniería John Cockerill proporcionará el diseño detallado mientras que la española Sugimat será responsable de la fabricación del generador de vapor, lo que hará en su factoría de Valencia. Será relativamente pequeño, con un tamaño de caja de 1,5 metros de longitud y 1,8 metros de altura, y estará hecho de un tipo de acero diferente al de los generadores de vapor convencionales. Para su fabricación "se han tenido en cuenta diferentes factores, como la temperatura alcanzada en el interior del intercambiador, el coeficiente de conductividad térmica y la densidad, entre otros", dijo Xavier Mas, director de servicio técnico e I+D de Sugimat.
Las grandes diferencias de temperatura entre la parte superior y la inferior del generador de vapor ejercen un importante estrés térmico en la placa tubular, según explicó Antoine Guillick, ingeniero de diseño y coordinador del proyecto en John Cockerill. Esta empresa está estudiando la división vertical de la placa tubular con pequeñas piezas en forma de U que descomponen el gradiente de temperatura en etapas más pequeñas.
Los tubos estarán hechos de un material de superaleación de níquel, en lugar de acero de aleación convencional o acero inoxidable, a fin de soportar las temperaturas más altas. "También utilizamos aleaciones refractarias para soportar las altas temperaturas y las partículas cerámicas, por ejemplo en la placa tubular", dijo Guillick. Y como las partículas también crean problemas de abrasión en la superficie, para mitigar este problema se utilizará un aislante en la carcasa interna del generador de vapor, añadió Guillick. Entre los candidatos como aislante, los ladrillos refractarios.
