Para impulsar nuevas formas de energía renovable, la Oficina de Tecnologías de la Energía Solar del Departamento de Energía ha fomentado el desarrollo de sistemas de concentración solar de nueva generación. Los sistemas CSP ofrecen una clara ventaja sobre los fotovoltaicos al permitir el almacenamiento de la energía a través de medios distintos de las baterías.
La CSP utiliza un campo de espejos (helióstatos) para concentrar la luz solar en un objetivo (receptor) e irradiar un medio de transferencia de calor. Ese medio calentado se utiliza para generar electricidad o impulsar otras reacciones termoquímicas.
Los investigadores están estudiando el uso de partículas (concretamente, una partícula cerámica de bauxita) en el interior del receptor dentro de un sistema de torre accionado por gravedad. El concepto de receptor que se está desarrollando para facilitar este sistema se denomina receptor de caída de partículas (FPR).
En un FPR, las partículas se dejan caer dentro de una cavidad a modo de cortina junto a un haz de luz solar concentrada que las calienta. Las partículas calentadas pueden almacenarse para su uso futuro cuando no brille el sol o utilizarse inmediatamente junto con un ciclo Brayton de CO2 supercrítico altamente eficiente para generar electricidad.
A continuación, las partículas se elevan hasta la parte superior de la torre para depositarlas en el FPR y calentarlas de nuevo. La mayor ventaja de las partículas es que permiten que la FPR alcance temperaturas muy elevadas (>800 °C), algo que no ocurre con los medios tradicionales de transferencia de calor de la CSP. Esto permite utilizar el eficaz ciclo supercrítico del CO2, con lo que la electricidad resulta mucho más barata.
Para que este concepto resulte económico es necesario diseñar receptores de partículas de alta eficiencia.
La modelización y la simulación pueden ayudar a impulsar este desarrollo (minimizando el número de experimentos complejos necesarios), pero puede ser muy costoso desde el punto de vista computacional modelizar toda la física necesaria para predecir la eficiencia de un receptor de partículas.
Sandia es única en la cantidad de soporte HPC disponible para este tipo de problemas. Se emplearon miles de horas de CPU para diseñar y comprender el funcionamiento del receptor bajo parámetros como la variabilidad meteorológica y la respuesta del receptor a los transitorios. Esta información se compiló para calcular el rendimiento anual del receptor y puntos de datos clave para evaluar la viabilidad.
Las simulaciones nos ayudan a maximizar la cantidad de luz solar que absorben las partículas cuando pequeños cambios en la geometría, las condiciones de funcionamiento o el entorno pueden afectar a esa absorción. Cuanta menos energía absorban las partículas, menor será la eficiencia y más caro resultará generar electricidad. Estos modelos nos están ayudando a identificar y minimizar todas las pérdidas térmicas que pueden contribuir a una menor eficiencia.
Brantley Mills, investigador.
Los receptores de caída de partículas ya se han simulado antes, pero es la primera vez que se hace con este nivel de fidelidad geométrica y física que proporciona más confianza en el rendimiento esperado del diseño (es decir, la eficiencia). Normalmente, se han excluido varios niveles de física (por ejemplo, partículas finas, viento, rebote de partículas) para reducir el coste computacional de estas simulaciones, pero los recursos HPC de Sandia han permitido a los investigadores tener en cuenta estos detalles adicionales. Los sistemas HPC permitieron acoplar modelos de dinámica de fluidos computacional de alta fidelidad con el seguimiento discreto de partículas, el transporte de radiación altamente direccional desde los helióstatos y el transporte de energía a través de las paredes aislantes del receptor. Las soluciones a estos problemas físicos permitieron realizar un seguimiento preciso del flujo de energía a través del sistema, lo que ha resultado muy valioso para minimizar las pérdidas y conseguir una mayor eficiencia.
Los investigadores están utilizando una amplia gama de modelos físicos que han ejercitado las capacidades de acoplamiento de códigos dentro del software de simulación Sierra de Sandia a escala.
Además del complejo acoplamiento, muchas de las físicas tienen asociadas diferentes escalas de tiempo (radiación – efectivamente instantánea; fluidos y partículas – segundos; sólidos – minutos).
Hemos tenido que encontrar soluciones creativas para extraer de las simulaciones las observaciones necesarias. Por ejemplo, ejecutamos la simulación durante un periodo de tiempo sin radiación para minimizar las inestabilidades numéricas a medida que se forma el campo de flujo. También hemos utilizado masas térmicas no físicas en los materiales de las paredes al inicio de la simulación para reducir el tiempo que tarda el campo de temperatura en alcanzar una condición de estado estacionario.
Brantley Mills
Los modelos HPC de Sandia también han ayudado a los investigadores a comprender mejor el flujo de partículas finas pequeñas dentro de la cavidad del receptor. Las partículas son normalmente de ~350 micras, pero en funcionamiento se generan partículas finas muy pequeñas (de hasta 1 micra) y Sandia ha utilizado los modelos para predecir el flujo de esas partículas en la cavidad del receptor. Los modelos también han permitido diseñar y explorar diferentes características geométricas diseñadas para capturar estos finos de partículas, minimizando los peligros que suponen para el medio ambiente y el personal.
El modelado y la simulación también ayudan a informar sobre un diseño de receptor que se construirá e integrará en la torre de la Planta Piloto de Partículas de Generación 3 (G3P3) (cuya finalización está prevista para 2024). El sistema completado de 1 MWth construido en la Instalación Nacional de Pruebas Térmicas Solares de Sandia será una planta piloto de partículas totalmente integrada que puede ayudar a resolver cuestiones sobre la integración y el escalado de esta tecnología. Si tiene éxito, esta tecnología se ampliará a plantas de hasta 100 MWe, con capacidad para almacenar energía en momentos en los que no se disponga de luz solar. Los modelos HPC se han utilizado para evaluar el diseño final del receptor G3P3 con una fidelidad geométrica muy alta.
Los modelos HPC también han ofrecido la oportunidad de probar nuevos conceptos, cuyas patentes están pendientes, como un conjunto de canales intermedios que «atrapan y liberan» las partículas. Estos canales ralentizan la caída de las partículas a través de la cavidad, lo que aumenta el tiempo de permanencia de las partículas en la luz solar concentrada sin exponer ninguna superficie directamente al haz. Esto permite una mayor absorción de la luz solar y temperaturas más elevadas de las partículas, y se ha demostrado en pruebas que aumenta la uniformidad de la cortina. Además, los canales ayudan a proteger la pared posterior de la cavidad, que puede sufrir daños puntuales si se expone directamente al haz. Esta tecnología será un componente esencial de los futuros sistemas de 100 MWe para controlar la cortina de partículas en receptores de partículas descendentes con cavidades de hasta 20 m de altura.
Los modelos HPC han desempeñado un papel fundamental en el diseño de los FPR para los sistemas CSP de próxima generación que utilizan partículas. Los investigadores pretenden ampliar esta capacidad de modelado para investigar sistemas receptores más grandes y otros diseños de receptores que podrían construirse en el futuro. Los modelos también se utilizarán para ayudar a predecir la variabilidad del rendimiento del FPR a lo largo de un día típico en la torre G3P3.
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