Almacenamiento de energía termoquímica para entregar energía solar Gen3 meses después

Publicado el1 de junio de 20231 de junio de 2023AutorSusan Kraemer

En comparación con el costo de la planta de CSP Gen3 en sí, agregar el almacenamiento termoquímico y el reactor de producción de hidrógeno apenas aumentó los costos de la planta, pero agregó un valor significativamente mayor al expandir en gran medida la duración del almacenamiento.

Por lo general, la simplicidad es igual a costos bajos. Pero los creadores de un sistema de almacenamiento de energía termoquímica multitecnología para energía solar concentrada (CSP) Gen3 afirman que su diseño complejo reduciría los costos al permitir la entrega de energía solar no solo en uno o dos días como hoy, sino siempre que sea necesario. semanas y meses después.

Este sistema dual de almacenamiento de energía termoquímica se combinaría con la planta piloto de CSP avanzada que Sandia está construyendo en su centro de pruebas de helióstatos en Nuevo México como ganadora del premio Gen3 CSP del Departamento de Energía de EE. UU.

El piloto Gen3 de Sandia, que comenzó a construirse recientemente, comprende un receptor de partículas de caída libre que alimenta el almacenamiento de partículas a alta temperatura. Estas partículas similares a la arena calientan el CO2 supercrítico, un fluido de trabajo altamente eficiente que se ejecuta en un circuito de ciclo Brayton cerrado.

Para entregar después del anochecer, la CSP comercial actual almacena energía solar en sal fundida. En cambio, el piloto Gen3 de Sandia utiliza partículas, que permanecen estables a temperaturas mucho más altas para una mayor eficiencia. Este suministra energía solar a partir del almacenamiento térmico, normalmente durante 8 o 10 horas.

Pero un nuevo estudio de la Universidad Estatal de Arizona (ASU), donde la profesora Ellen Stechel dirige una investigación rigurosa sobre el potencial termoquímico solar, mostró que el LCOE podría reducirse agregando un par de ciclos redox termoquímicos que luego pueden entregar energía en cualquier día que sea. necesarios, incluso meses después.

"La novedad en nuestro sistema es que proponemos tres niveles de almacenamiento para una garantía de capacidad de despacho durante todo el año", explicó el científico investigador asistente de ASU, Alberto de la Calle.

De la Calle reveló el esbozo del concepto novedoso en una presentación y un análisis tecnoeconómico abstracto de una planta de energía solar concentrada de alta temperatura con un sistema de almacenamiento de niveles múltiples para una disponibilidad garantizada durante todo el año en la reciente Conferencia SolarPACES.

La idea es agregar dos niveles más de almacenamiento de energía térmica al que descarga diariamente, uno para hacerlo hasta una semana después y otro para entregar energía en cualquier día que se necesite, incluso con meses de distancia. Para las tres tecnologías, diferentes métodos almacenarían y liberarían energía. Y en lugar de depender de una entrada de calor para cada tipo, existen múltiples opciones de carga.

Si bien el suministro diario de electricidad utilizaría el calor almacenado como en la CSP comercial actual, los investigadores adoptan un enfoque único para cargar el almacenamiento de energía térmica semanal y estacional.

Los dos sistemas adicionales se centran en un par sinérgico de ciclos termoquímicos, uno para almacenar calor a largo plazo químicamente y otro para producir hidrógeno.

Esquema de almacenamiento de energía termoquímica IMAGE@Análisis tecnoeconómico de una planta de energía solar concentrada de alta temperatura con un sistema de almacenamiento de niveles múltiples para una capacidad de despacho garantizada durante todo el año

Almacenamiento diario existente (Nivel 1) en el Sandia Gen3 CSP. Las partículas almacenan calor "sensible" (el calor que puedes sentir): Las partículas calientes en el tanque de almacenamiento de energía térmica Gen3 son calentadas por el flujo solar concentrado del campo de prueba de helióstatos solares de Sandia a medida que caen a través del receptor. El calor se transfiere a dióxido de carbono supercrítico para hacer funcionar una turbina de s-CO2 para generar electricidad. El tanque de almacenamiento de partículas está dimensionado para contener el suministro de un día.

Para almacenamiento semanal (Nivel 2): ​​Agregue almacenamiento en calor termoquímico:Un proceso termoquímico de ciclo continuo generaría calor en un ciclo redox de dos pasos de un óxido de metal térmicamente reducido con calor (carga) y oxidado en el aire (descarga).

“Uno de los propósitos de este proyecto es encontrar cuál es el óxido metálico más adecuado para este proceso. Hemos comenzado a probar CaAl0.2Mn0.8O3, una perovskita que ya se ha utilizado en este tipo de ciclos”, dijo de la Calle. .

Este reactor de flujo en zigzag para almacenamiento de energía termoquímica tendría tres modos de carga opcionales. Podría funcionar con el calor del tanque de almacenamiento térmico y la electricidad fuera de las horas punta, solo con la electricidad fuera de las horas punta (cuando el precio es bajo), o reduciéndola químicamente con hidrógeno producido en el sitio.

“Este almacenamiento también es en partículas. Sin embargo, estas partículas no son químicamente inertes”, explicó. "Cuando se calientan hasta 1000 °C en un entorno con poco oxígeno, reaccionan liberando oxígeno de su red. Se almacenan en un tanque. Cuando es necesario utilizar este almacenamiento, las partículas se mezclan con oxígeno. Una segunda reacción, re "Luego se produce la oxidación, que libera calor. Este almacenamiento tendría una capacidad similar al almacenamiento Gen3, pero la densidad de energía es mayor y el tiempo de almacenamiento será más largo, del orden de una semana".

Para recuperar el calor almacenado en este óxido metálico reducido, se ha diseñado un intercambiador de calor especial de partículas a s-CO2 en el que se produciría la reacción de reoxidación.

Para almacenamiento estacional (Nivel 3): Agregue un reactor de hidrógeno:El hidrógeno se generaría en el sitio en el Reactor Laberinto en ASU, un diseño termoquímico de próxima generación presentado en la Conferencia SolarPACES para dividir el agua y el dióxido de carbono, funcionando con electricidad de la red fuera de las horas pico.

“En este reactor, la reacción de reducción es de alrededor de 1500 °C, y la reacción de reoxidación, si usamos ceria como óxido metálico, es de alrededor de 1000 °C”, dijo De la Calle.

“La diferencia con el almacenamiento de Nivel 2 es que aquí la reoxidación es con agua (vapor). El óxido de metal reducido en presencia de agua es capaz de liberar hidrógeno extrayendo el oxígeno de la molécula de agua”.

Una vez que se produce el hidrógeno en este reactor, se almacena en un recipiente hasta que se necesita para impulsar la reacción de reducción en el almacenamiento termoquímico de Nivel 2 y, en última instancia, se entrega a la red a través del bloque de energía del ciclo s-CO2. Este hidrógeno también se puede vender como mercancía a la red.

La configuración en contracorriente de las dos reacciones termoquímicas maximiza la utilización del potencial químico del óxido metálico utilizado como material redox.

Resultados: Las ganancias netas de la generación del almacenamiento termoquímico de nivel 3 son las más altas IMAGEN@Análisis tecnoeconómico de una planta de energía solar concentrada de alta temperatura con un sistema de almacenamiento de varios niveles para una capacidad de despacho garantizada durante todo el año

Este equipo demostró que su sistema podía producir al menos 8 horas de electricidad solar todos los días, durante todo el año, en verano o en invierno, independientemente de las horas de sol diarias.

"Este sistema ofrece una flexibilidad única, donde podemos comprar y vender electricidad cuando sea más conveniente y vender hidrógeno como materia prima para compensar los costos operativos y de capital. Los ingresos por hidrógeno por sí solos, netos de los costos de electricidad fuera de las horas pico, compensan el CapEx, " él explicó.

En comparación con el costo de la planta de CSP Gen3 en sí, agregar el almacenamiento termoquímico y el reactor de producción de hidrógeno apenas aumentó los costos de la planta, pero agregó un valor significativamente mayor al expandir en gran medida la duración del almacenamiento.

En comparación con el costo de la planta de CSP Gen3 en sí, agregar el almacenamiento termoquímico y el reactor de producción de hidrógeno apenas aumentó los costos de la planta, pero agregó un valor significativamente mayor al expandir en gran medida la duración del almacenamiento.

"Para comparar nuestro sistema de almacenamiento multinivel con un caso de referencia para ver si nuestro sistema es mejor o peor, calculamos el LCOE de la planta de CSP solo con almacenamiento diario, con diferentes múltiplos solares y diferentes capacidades de almacenamiento como referencia. Y no solo lo hacemos reducimos el LCOE del sistema, pero también garantizamos la capacidad de despacho durante todo el año". dijo de la Calle. "Encontramos que el LCOE de nuestro sistema de tres niveles es un 16 % menor que la línea de base".

Fue el costo adicional relativamente pequeño para agregar los dos (Nivel 1 y 2) sistemas de almacenamiento termoquímico que entregaron el almacenamiento semanal y estacional más valioso que fue la clave para esta reducción de LCOE.

Más lectura:"Desarrollo y prueba del reactor de flujo en zigzag para el almacenamiento de energía termoquímica" Rhushikesh Ghotkar, Conferencia SolarPACES 2022

"Desarrollo y prueba del reactor termoquímico laberinto para la división de agua/CO2 en ASU" Ivan Ermanoski, Conferencia SolarPACES 2022

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CategoríasNoticias y análisis de CSP