Investigadores internacionales de energía solar térmica han probado con éxito CONTISOL, un reactor solar que funciona con aire, capaz de producir cualquier combustible solar como el hidrógeno y funcionar de día o de noche, ya que utiliza energía solar concentrada (CSP) que puede incluir almacenamiento de energía térmica.

La promesa de los combustibles solares es que podríamos tener combustibles con cero emisiones de carbono como el hidrógeno sin las emisiones de carbono que dañan el clima que se necesitan para producir hidrógeno a partir del gas natural en la actualidad. por lo que perfeccionar los reactores solares es clave para un futuro de energía 100% limpia.

En lugar de quemar un combustible fósil para obtener el calor necesario para impulsar el proceso de química térmica, para reacciones químicas como separar H2 (hidrógeno) de H2O, Los científicos han estado probando varios tipos de reactores calentados por la forma térmica de la energía solar, CSP, que utiliza espejos para concentrar el flujo solar en un receptor.

Para lograr calor sin carbono para reacciones termoquímicas, que pueden operar a temperaturas tan altas como 1, 500 C:los expertos ven el calor directo de la CSP como una fuente de energía limpia más eficiente que la electricidad fotovoltaica o eólica.

Habrá un suministro ilimitado de luz solar durante siglos, y sin consecuencias climáticas cuando la termoquímica es impulsada por energía solar. La única desventaja en comparación con la quema de energía fósil, es que el sol se pone por la noche.

Noche solar

Ahora, un grupo de científicos del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) apoyado por el Laboratorio de Tecnología de Aerosol y Partículas de CPERI / CERTH Grecia ha construido y probado un nuevo diseño de reactor solar que incluye almacenamiento para que pueda proporcionar calor las 24 horas como el actual método de combustión fósil, pero sin las emisiones.

Su papel Fabricación y prueba de CONTISOL:En diciembre de 2017 se publicó un nuevo reactor-receptor para termoquímica solar diurna y nocturna, a Ingeniería Térmica Aplicada .

"Los reactores solares en el pasado han tenido el problema de lo que haces por la noche cuando no tienes sol, o incluso cuando pasan las nubes, "dijo el autor principal del artículo, Justin Lapp, anteriormente de DLR, y ahora profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Maine.

Lapp explicó que cuando baja la temperatura, podría ser necesario detener la reacción o reducir la velocidad de flujo de los reactivos, reduciendo la cantidad de productos que sale. Si el reactor se apaga por la noche, se enfría, no solo desperdiciar calor residual, pero comenzando de cero a la mañana siguiente.

Cómo funciona

"Así que la idea principal de CONTISOL era construir dos reactores juntos, ", dijo." Uno en el que la luz del sol realiza directamente el procesamiento químico. El otro lado para almacenar energía. En los canales químicos, las altas temperaturas del material impulsan la reacción química y se produce un cambio de reactivos a productos dentro de esos canales, y en los canales de aire, el aire más frío entra por delante y el aire más caliente sale por la parte de atrás ".

Combinando capacidades de almacenamiento con un reactor termoquímico solar directo, obtienen lo mejor de ambos mundos, temperaturas estables durante todo el día, pero también la fuente de calor más eficiente para realizar reacciones porque es directa, así que "no tienes tantas pérdidas con múltiples pasos entre la luz del sol y la química que está sucediendo".

CONTISOL utiliza un receptor al aire libre, basado en el receptor de aire volumétrico operado en su torre solar de prueba en Julich por DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt), que puede calentar el aire a 1, 100 C. Allí, un receptor al aire libre toma aire de la atmósfera y lo tira a través de pequeños canales en un material monolítico.

"El nuestro es un receptor de aire volumétrico como este, "dijo Lapp." El centro es un monolito extruido; un cilindro grande con muchos canales rectangulares más pequeños. Cada dos filas de canales se utiliza para la química o para hacer pasar aire a través del monolito. Estos canales están abiertos al frente para permitir que la luz del sol entre y caliente este material monolítico ".

La prueba original utilizó carburo de silicio para el receptor multicanal, pero los científicos planean probar Inconel, una aleación de metal más dura para el receptor.

"El carburo de silicio es un poco difícil de fabricar porque no se puede mecanizar tan bien como un metal. Por lo tanto, conseguir tolerancias muy estrictas puede ser difícil. No es demasiado caro, pero no es el material más fácil de trabajar en la fabricación. ", relató.

Se necesitan temperaturas entre 800-900 C para reorganizar las moléculas de agua o hidrocarburos en la mayoría de los combustibles solares. así que ese era el objetivo de temperatura. El reactor prototipo operó con éxito a 850 C a escala de laboratorio:5 kW.

CONTISOL fue probado en Colonia, Alemania usando 'soles' simulados, en lugar de un campo solar real, y también se simuló el almacenamiento y el intercambiador de calor, ya que el reactor en sí es la innovación.

"Esta báscula es un prototipo científico simplemente para que entendamos cómo controlarla. No se comercializaría a 5 kW, ", dijo." Comercialmente, 1-5 MW sería aproximadamente el más pequeño para reactores a escala industrial, y podrían escalar a 100 MW o incluso más ".

"En nuestro caso, estamos haciendo la reforma del metano como ejemplo. Pero no está relacionado con el metano, podría producir cualquier cantidad de combustibles solares. Uno interesante es la producción de hidrógeno a partir de ácido sulfúrico como material cíclico. Cuando se evapora el ácido sulfúrico a unos 400 C en vapor y SO3, no es corrosivo, por lo que incluso puede utilizar componentes de acero inoxidable ".

¿Por qué el aire como medio de transferencia de calor?

La transferencia de calor en el aire abre opciones para sistemas de almacenamiento de alta eficiencia como el almacenamiento termoquímico o el almacenamiento de calor latente en cobre o aleaciones de cobre que se funden entre 900 y 1100 C.

Las ventajas del aire son que es accesible, disponible gratuitamente y abundante. El aire no es corrosivo y cualquier fuga sería intrascendente, por lo que no es necesario que esté contenido en un circuito cerrado, él explicó.

"Puede extraer aire de la atmósfera y luego pasarlo por el intercambiador de calor para almacenar el calor. Y luego puede ventilar ese aire una vez que se enfría".

Con otros materiales de transferencia de calor, "Tienes que asegurarte de que el sistema esté sellado en todas partes y si pierdes algo debes comprar más para compensarlo. Con aire no tienes ese problema".

A diferencia de muchos medios de transferencia de calor, que pueden cambiar su estructura molecular a altas temperaturas, el aire permanece estable a altas temperaturas.

Sin embargo, un receptor de aire parecería descartar reacciones químicas con líquidos como el agua. No tan, dijo Lapp.

"Hay muy pocos líquidos que permanezcan líquidos en el rango de 600 a 800 grados que nos interesan, ", explicó." La mayoría de las reacciones químicas con las que nos ocupamos son con gases como el metano o con materiales sólidos como reacciones de óxidos metálicos.

Incluso dividir el agua se hace a una temperatura tan alta que el agua no es líquida, pero vapor.

"El agua que ya entra como vapor hace que sea mucho más fácil diseñar el receptor. No tiene los problemas de la expansión del vapor mientras está hirviendo. Es más fácil mantenerlo hermético para el vapor que para el líquido, ", dijo. Así que para preparar el agua para partir, primero se herviría a vapor directamente en la torre.

"En estos reactores solares de alta temperatura, el punto central de la torre donde se enfocan todos los espejos es el mejor para la química de alta temperatura. Obtenemos un flujo muy alto en el centro para llegar a 600 - 800 C. Pero siempre hay un montón de radiación desperdiciada alrededor del exterior; todavía hay suficiente luz para calentar a 200 - 300 C, no lo suficiente para la química, pero sí lo suficiente como para evaporar el agua en vapor, "Señaló Lapp.

Los primeros reactores termoquímicos fueron nucleares.

La investigación sobre el uso de reactores para realizar termoquímica se originó en los años 60 con energía nuclear, pero fue abandonado una vez que los investigadores no pudieron lograr que las reacciones nucleares alcanzaran las temperaturas necesarias. Muy pocos diseños de reactores nucleares pudieron alcanzar los 800 C.

Pero más recientemente, Los reactores solares han retomado esta investigación en termoquímica, basado en calor solar en lugar de nuclear. Ya están alcanzando temperaturas entre 800 C y 1500 C a escala piloto, utilizando luz solar altamente concentrada.

Los reactores solares no incluyen el gran bloque de energía de una planta de CSP, que es una central termosolar completa que produce electricidad (excepto con calor suministrado por el sol). Los reactores solares no necesitan la gran turbina o generador para generar electricidad, pero solo consta de una torre, un campo solar, un receptor y la cámara de reacción. A esto, CONTISOL agrega un sistema de almacenamiento, transfiriendo el calor del aire al intercambiador de calor.

Para producir hidrógeno, por ejemplo, Un reactor solar tipo CONTISOL comprendería un campo solar de helióstatos (espejos), una torre, un receptor de aire y el almacenamiento de calor. Los espejos reflejarían la luz del sol en el receptor de aire; calentar aire en dos conjuntos de cámaras pequeñas que dirigen el aire a la cámara de reacción para la reacción termoquímica, o al almacenamiento de calor.

El hidrógeno podría usarse en más reacciones, si lo hubiera almacenado para mantenerlo caliente durante la noche, o lo sacaría de la cámara de reacción en la torre para comprimirlo. llenar un tanque, y expulsarlo.