La impresión 3D posibilita nuevos receptores CSP de alta eficiencia
La impresión 3D es clave para la fabricación de los nuevos receptores de energía solar concentrada de diseño fractal, que son un 20 % más efectivos en la absorción de luz solar que los actuales.
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Los ingenieros de los laboratorios Sandia National Laboratories han diseñado estos receptores en el marco del programa de Investigación y Desarrollo Orientado al Laboratorio (LDRD, por sus siglas en inglés) respaldado por el gobierno de los EE. UU. Los resultados de la investigación se están implantando en los trabajos que Sandia realiza para SERIUS, el Instituto de Investigación en materia de Energía Solar para India y los Estados Unidos.
Mientras que la mayoría de instalaciones de energía solar de concentración del mundo son de grandes dimensiones, India tiene interés en desarrollar centrales de 1 MW o menores para suministrar electricidad a pequeños pueblos y comunidades. Mejorar la eficiencia de estos diseños de receptores de menor tamaño es un paso clave para hacer realidad su objetivo.
Los ingenieros de Sandia han desarrollado y sometido a ensayo los nuevos receptores en el complejo termosolar nacional para ensayos de Sandia en Albuquerque, Nuevo México. Estos analizaron la capacidad de los receptores de soportar temperaturas y presiones altas al tiempo que absorben la luz solar en forma de calor para almacenar o transferir al ciclo energético y generar con ello electricidad.
Otras tentativas anteriores de mejorar la eficiencia de los receptores solares se centraron en desarrollar unos revestimientos especiales aplicados a los receptores. Según Sandia, muchos de estos revestimientos son susceptibles de deteriorarse con el tiempo, lo que disminuye la capacidad del receptor de absorber la luz del sol y la posible vida útil del propio receptor solar, al tiempo que incrementa los costes debido a la necesidad de aplicarlo de nuevo o subsanarlo. Sandia asegura que sus nuevos diseños fractales han aumentado la eficiencia de la absorción solar sin necesidad de emplear revestimientos especiales.
La impresión 3D permite aumentar la complejidad de la geometría
El equipo de Sandia ha sido pionero en el uso de una técnica de impresión 3D llamada “fusión de lecho de polvo” para imprimir sus diseños de receptor a escala pequeña con Inconel 718, una aleación de níquel para altas temperaturas. Para la prueba a altas temperaturas el equipo utilizó tanto Inconel 718 como alúmina. Sin embargo, la alúmina es blanca y no resulta adecuada para los receptores solares a no ser que se pinte o se recubra, según explicó el ingeniero de Sandia Cliff Ho a CSP Today.
Su pretendida mejora del 20 % se funda en el aumento de la absorbancia solar efectiva respecto de la absorbancia solar intrínseca al material, gracias a las novedosas características geométricas que permiten que la luz se refleje hacia otras superficies absorbentes del receptor, aseguró Ho.
“La impresión 3D nos ha permitido elaborar estas geometrías complejas”, dijo. “Para los prototipos pequeños que hemos construido no hemos comparado el coste con otros métodos tradicionales, que habrían requerido un proceso de extrusión, mecanizado y soldadura, pero el coste de la impresión de tales prototipos exclusivos ha sido bastante elevado. Podemos anticipar que para los componentes con una producción mayor y a escala superior el ahorro en los costes será significativo”.
Los prototipos de componentes que Sandia sometió a ensayo estaban en el orden de los centímetros o decenas de centímetros. Ho afirmó que sería un desafío imprimir componentes de mayores dimensiones en el orden de los metros o decenas de metros, pero el sector de la impresión 3D está “avanzando en esa dirección”.
Sandia prevé que la impresión 3D desempeñará un papel importante no solo para los receptores termosolares, explicó Ho, “sino también para otros componentes de CSP, incluidas las estructuras de helióstatos, los intercambiadores de calor, los cabezales, las válvulas, las turbomáquinas y otros componentes con características o geometrías complejas”.
El camino a una posible implantación comercial
La fabricación aditiva, como también se conoce a la impresión 3D, es el proceso por el que se fabrican objetos sólidos tridimensionales a partir de un modelo 3D u otro archivo digital. Mientras que la fabricación sustractiva tradicional consiste en recortar o vaciar materiales, la fabricación aditiva consiste en la superposición de capas sucesivas de material hasta que se crea el objeto. En teoría, dichos objetos pueden tener casi cualquier forma o geometría.
La fabricación aditiva parece que desempeñará un papel importante en los proyectos comerciales de CSP. De este modo, el logro de Sandia representa un paso notable en la demostración de su valor en la fabricación de receptores y otras partes del equipo que integra la CSP.
El año pasado, la iniciativa SunShot del Departamento de Energía de los EE. UU. concedió a la empresa emergente californiana Giant Leap Technologies una subvención a dos años de 2,2 millones de dólares para respaldar el desarrollo de una tecnología CSP de impresión 3D pendiente de patente llamada Digital Glass [vidrio digital].
La tecnología propuesta se basa en una conducción electrónica (no mecánica) de la luz en amplios intervalos de dirección, longitud de onda, estados de polarización y energía mediante estructuras ópticas moduladas electrónicamente dentro de un medio transparente entre los estados visible e invisible. La técnica se funda en el movimiento de cantidades pequeñas de fluidos ópticos dentro de un medio transparente para dirigir la luz. Giant Leap dice que tiene posibles para sustituir completamente los helióstatos y concentradores cilíndrico-parabólicos empleados en las centrales eléctricas solares actuales de escala real y escala pequeña.
Con su presupuesto multimillonario para investigación y desarrollo, Sandia, filial de Honeywell International, eclipsa a otras empresas emergentes como Giant Leap. Pero lo que ambas tienen en común es que persiguen objetivos estrechamente relacionados con el interés nacional. El programa LDRD invierte en actividades de alto riesgo y de rendimiento posiblemente alto llevadas a cabo en los laboratorios Sandia National Laboratories de Nuevo México, así como en los Lawrence Livermore National Laboratory y Los Alamos National Laboratory de California, que constantemente amplían las fronteras de la ciencia y la ingeniería. Las innovaciones de Sandia suelen acabar siendo implantadas en la industria de la defensa, la energía y otros sectores importantes.
Por ejemplo, los muchos años de inversiones del LDRD en el radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) han permitido a Sandia desarrollar imágenes estáticas de alta resolución a partir de un paquete en miniatura, el miniSAR, desarrollado para vehículos aéreos no tripulados, imágenes avanzadas de objetivos móviles y radar de vídeo en tiempo real. Las imágenes del SAR se han obtenido del orbitador lunar de la NASA. Tales imágenes tienen aplicaciones importantes para el campo de batalla, así como para los esfuerzos contra la proliferación nuclear, según Sandia.
Sandia tiene interés en que las tecnologías desarrolladas en el marco del LDRD lleguen al mercado, pese a que el propio programa solo puede financiar proyectos de I+D en fases tempranas, según han confirmado hoy varios representantes de Sandia a CSP Today. Hay otros programas de Sandia que permiten dar soporte a investigadores como Ho para que determinen la vía y la fuente de financiación adecuadas para introducir tecnologías innovadoras en el mercado o incorporarlas en aplicaciones y programas gubernamentales, y hay también diversos modos de que Sandia colabore con socios industriales para comercializar las tecnologías, según han dicho.
No se ha proporcionado financiación adicional para que el proyecto de CSP colabore con entidades comerciales. Sin embargo, habida cuenta del historial de otras innovaciones que se han introducido en el mercado, la fabricación aditiva podría desempeñar un papel importante en la CSP y en otros sectores de energías renovables en los próximos años.
Por Nadav Shemer
Traducido por Vicente Abella Aranda