Una innovación en el intercambiador CSP podría reducir costes en un 20%
Varios investigadores de EE.UU. han desarrollado un nuevo material para el intercambiador de calor de las centrales de CSP avanzadas de alta temperatura que puede fabricarse a un coste menor que los materiales existentes, según dijeron los líderes del proyecto a New Energy Update.
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Los diseños de las centrales termosolares de alta temperatura se han convertido en un ámbito de investigación clave para los promotores que buscan reducir los costes y ampliar sus oportunidades de mercado.
Hasta el momento, las centrales de CSP han utilizado por lo general aceite o sales fundidas como fluido de transferencia de calor, con lo que limitaban las temperaturas a alrededor de 550 grados C. Las centrales de alta temperatura podrían incrementar la eficiencia de la conversión de calor en electricidad y reducir así los costes de generación de CSP.
En Estados Unidos, Brayton Energy, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés) y Sandia Laboratories están desarrollando unos nuevos diseños de centrales CSP que pueden calentar fluidos de transferencia a más de 700 grados C. Los tres equipos compiten por una subvención del Departamento de Energía (DE) de 25 millones de dólares destinada a construir un demostrador de sistemas de alta temperatura completamente integrados a escala.
Las centrales de mayor temperatura requerirán componentes más duraderos, como puedan ser los intercambiadores de calor, los sistemas de tuberías y las turbinas.
Los intercambiadores de calor se fabrican normalmente con acero o aleaciones de níquel, pero a temperaturas más altas se ablandan y corroen.
Un grupo de universidades estadounidenses ha desarrollado un nuevo “cerametal” (una clase de materiales compuestos de cerámica y metales) que ha demostrado ser mucho más fuerte y duradero que las aleaciones.
Las investigaciones llevadas a cabo por la Universidad de Purdue, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el Instituto Tecnológico de Georgia, UW-Madison y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, por sus siglas en inglés) han probado que el nuevo material es apto para los intercambiadores de calor de la próxima generación de centrales de CSP de dióxido de carbono supercrítico (CO2-SC) de ciclo Brayton y alta temperatura.
“Los resultados de resistencia a la fractura y los costes indican que el intercambiador de calor puede resultar robusto y fiable para las condiciones de uso establecidas”, según dijeron Kenneth Sandhage, profesor de Ingeniería de Materiales de la Universidad de
Purdue, y Asegun Henry, del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, a New Energy Update.
Es importante destacar que el coste del intercambiador de calor de cerametal podría ser igual o inferior al de las soluciones de aleación tradicionales, lo cual allanaría la ruta económica hacia centrales de mayor eficiencia.
El paso a centrales de ciclo de Brayton de alta temperatura podría aumentar la eficiencia de conversión de calor en electricidad en más de un 20 %, según destacaron los investigadores.
Partiendo de los mismos costes, se podría reducir el coste medio teórico de generación de energía (LCOE, por sus siglas en inglés) de las centrales CSP en una quinta parte.
Coste medio teórico de generación de CSP y los precios de las subastas
(Haga clic en la imagen para ampliar)
Fuente: Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA), enero de 2018.
Unir fuerzas
Los cerametales los desarrollaron originariamente los ingenieros que trabajaban para solucionar los problemas de los motores a reacción de las fuerzas aéreas de los E.E.U.U. a mediados del siglo veinte. Desde entonces, se han utilizado por lo común para piezas pequeñas de aplicaciones como la biocerámica o las herramientas de corte.
El equipo de investigación dirigido por Sandhage y Henry ha desarrollado cerametales compuestos de carburo de circonio y tungsteno.
Las pruebas han demostrado que este material puede ofrecer una "combinación muy atractiva de propiedades para el diseño unos intercambiadores de calor robustos, rentables y compactos", según afirmó el equipo en un artículo publicado en la revista 'Nature' en octubre de 2018.
"La optimización de la resistencia a la fractura, la resistencia a la corrosión por CO2-SC y los valores de conductividad térmica entre dos y tres veces superiores a los de las aleaciones de hierro o níquel a (más de 700 grados C) son los principales resultados de rendimiento obtenidos en la fase de prueba", explicaron los investigadores a New Energy Update.
El análisis de costes realizado por UW-Madison y el ORNL reveló que el coste de los nuevos intercambiadores de calor sería comparable o inferior al de las soluciones compactas con aleaciones de níquel. Las pruebas demostraron que la reducción de costes de fabricación y mano de obra en la solución de cerametal contrarrestaba los elevados costes de los materiales de origen.
Fabricación más rápida
Las placas tradicionales de aleaciones de metal utilizadas para los intercambiadores de calor de circuito impreso se fabrican por lo común mediante grabado fotoquímico de última generación.
La solución de cerametal se fabrica mediante unión mecánica de una placa porosa de carburo de tungsteno con una placa acanalada de carburo de tungsteno a través de un proceso de compensación displaciva de porosidad (CDP) y enlace por difusión.
Esto supone que el material se puede fabricar mediante métodos "más baratos y rápidos" que los diseños de aleaciones metálicas, según aseguraron los investigadores.
"De ahí viene la reducción de costes", explicaron.
Los cerametales se utilizaban anteriormente en aplicaciones de menor tamaño, por lo que su aplicación en un intercambiador de calor de gran volumen presenta un avance significativo.
Los investigadores están desarrollando ahora un nuevo proceso de fabricación a fin ampliar el tamaño del diseño del intercambiador de calor de cerametal.
Este trabajo determinará el equipo y la experiencia requeridos de los futuros socios fabricantes, según dijeron Sandhage y Henry.
"Esperamos poder establecer dichas relaciones en un plazo de 3 a 6 años tras concluir con éxito los proyectos actuales", dijeron.
Nuevas referencias
Otros tantos equipos en los EE.UU. y Europa están desarrollando materiales y componentes destinados a centrales de alta temperatura.
En octubre el DE concedió 3,8 millones de dólares a los científicos de la Universidad de Purdue, la Universidad de California y ComPrex, Wisconsin.
Estos equipos analizarán el modo como los nuevos compuestos, la reducción del tamaño estructural y la mejora de los métodos de fabricación pueden incrementar el rendimiento de los intercambiadores de calor.
Financiación para la investigación de intercambiadores de calor CSP del DOE
Fuente: Departamento de Energía (DE) de los EE. UU.
Sandhage predice nuevas mejoras en los materiales.
Los investigadores de Purdue han detectado nuevos compuestos que podrían mejorar aún más el rendimiento de los intercambiadores de calor de alta temperatura y de algunos otros componentes, explicó. Los investigadores están estableciendo en la actualidad los derechos de propiedad intelectual para dichos compuestos.
Estos nuevos materiales aún no se han utilizado en la industria de la energía y se requerirá un conocimiento más profundo antes de poder comercializarlos, destacó Sandhage.
Los promotores deberán estudiar a fondo los "nuevos mecanismos de corrosión y degradación de los materiales" a fin de aprovechar al máximo las ventajas de estos productos, concluyó.
Por Kerry Chamberlain
Traducido por Vicente Abella Aranda