Evaluación de un sistema de almacenamiento termoquímico para su integración a una torre central solar con ciclo Brayton sCO2 Public Deposited
This work highlights the importance of thermal energy storage and describes the three main methods: sensible heat, latent heat, and thermo-chemical storage. Among these, thermo-chemical storage stands out for its superior performance in managing solar resources' intermittency and daynight variability, surpassing traditional methods. This type of storage not only helps mitigate the effects of intermittent solar radiation but also contributes to reducing fossil fuel consumption and combating global warming by decreasing carbon dioxide emissions into the atmosphere. The key aspects for selecting thermo-chemical materials in solar power generation systems are analyzed, considering the factors that affect experimental analysis. Essential criteria for choosing suitable materials are summarized, with carbonates and oxides highlighted as promising options. It is demonstrated that the carrier gas has a significant impact on activation energy, making the detailed evaluation of all parameters crucial in a solar plant with thermo-chemical storage. Although strontium carbonate offers a high energy storage capacity, its effective conversion rate is low due to sintering and agglomeration phenomena during carbonation and calcination cycles at high temperatures. The use of chemical spacers can improve this conversion and mitigate these issues. Experimental results show that the SrCO3+CaCO3 and SrCO3+SnO2 mixtures offer superior performance and reactivity compared to other options, characterized through thermal analysis, calorimetry, X-ray diffraction, and scanning electron microscopy. The mixture with the best performance is 85%wt SrCO3 with 15%wt SnO2, achieving an effective conversion (Xeff) of 50% at atmospheric pressure after 30 cycles, while at a sub atmospheric pressure of 0.03 bar, an Xeff of 60% is reached after 12 cycles. During the experiments, strontium stannate (SrSnO3) and spinel (Sr2SnO4) were present. In the initial calcination and carbonation cycles, these compounds effectively mitigated the sintering and agglomeration of strontium carbonate. Therefore, further investigation is necessary to determine which materials most significantly influence the reaction. Additionally, advancements in the efficiency of next-generation solar thermal plants and the successes of supercritical carbon dioxide (sCO2) gas turbine prototypes are reviewed. A literature review of various proposed configurations to improve the overall efficiency of a Brayton cycle with sCO2 is conducted, selecting the best-performing configuration to be integrated with a thermo-chemical storage system. Using the System Advisor Model (SAM) from the National Renewable Energy Laboratory (NREL), a central tower plant with a Rankine cycle and molten salt storage generating 10 MWe is simulated and compared with a Brayton cycle with sCO2 and a thermo-chemical storage system. The results highlight significant improvements with the thermochemical system, demonstrating its positive impact on the design of central tower solar thermal plants. To generate a power output of 10 MWe, the Rankine cycle requires a maximum thermal power of 26.69 MWth, while the Brayton cycle with supercritical CO2 demands 22.25 MWth. Furthermore, there is a reduction in the mass flow needed to store thermal energy and meet the 10 MWe demand on an average annual day. With thermochemical storage, the required flow is only 23.54% of that needed in a molten salt system.
Este trabajo destaca la importancia del almacenamiento de energía térmica, y se describen los tres métodos principales: calor sensible, calor latente y almacenamiento termoquímico. Entre estos, el almacenamiento termoquímico se destaca por su rendimiento superior en la gestión de la intermitencia y variabilidad día-noche del recurso solar, superando los métodos tradicionales. Este tipo de almacenamiento no solo ayuda a mitigar los efectos de la radiación solar intermitente, sino que también contribuye a reducir el consumo de combustibles fósiles y, por ende, a combatir el calentamiento global al disminuir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Se analizan los aspectos clave para seleccionar materiales termoquímicos en sistemas de generación de energía solar, considerando los factores que afectan el análisis experimental. Se resumen los criterios esenciales para elegir materiales adecuados, destacando los carbonatos y óxidos como opciones prometedoras. Se demuestra que el gas portador tiene un impacto significativo en la energía de activación, haciendo crucial la evaluación detallada de todos los parámetros en una planta solar con almacenamiento termoquímico. Aunque el carbonato de estroncio ofrece una alta capacidad de almacenamiento energético, su tasa de conversión efectiva es baja debido a fenómenos de sinterización y aglomeración durante los ciclos de carbonatación y calcinación a altas temperaturas. El uso de espaciadores químicos puede mejorar esta conversión y mitigar estos problemas. Los resultados experimentales muestran que las mezclas SrCO3+CaCO3 y SrCO3+SnO2 ofrecen un rendimiento y reactividad superiores en comparación con otras opciones, caracterizándose mediante análisis térmico, calorimetría, difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. La mezcla que presentó el mejor desempeño es 85%wt SrCO3 con 15%wt SnO2, con esta mezcla se obtiene una conversión efectiva (Xeff) a presión atmosférica después de 30 ciclos del 50%, mientras que operando a una presión subatmosférica de 0.03 bar se alcanza una Xeff del 60% después de 12 ciclos. Durante los experimentos se tuvo el hallazgo de la presencia de estanato de estroncio (SrSnO3) y espinela (Sr2SnO4) que en los primeros ciclos de calcinación/carbonatación permitió reducir los fenómenos de sinterización y aglomeración del carbonato de estroncio, de ahí que se debe abundar en esta investigación para dilucidar cual de estos está favoreciendo la reacción. Además, se revisan los avances en la eficiencia de las plantas termosolares de nueva generación y los éxitos de los prototipos de turbinas de gas con dióxido de carbono supercrítico (sCO2). Se hace una revisión en la literatura de diversas configuraciones propuestas para mejorar la eficiencia global de un ciclo Brayton con sCO2, seleccionándose la de mejor desempeño para ser integrado con un sistema de almacenamiento termoquímico. Utilizando el programa System Advisor Model (SAM) del Laboratorio Nacional de Energía Renovables (NREL), se simula una planta de torre central con ciclo Rankine y almacenamiento con sales fundidas para generar 10 MWe, comparándola con un ciclo Brayton con sCO2 y un sistema de almacenamiento termoquímico. Los resultados destacan mejoras significativas con el sistema termoquímico, evidenciando su impacto positivo en el diseño de plantas termosolares de torre central. Para generar una potencia de 10 MWe, el ciclo Rankine requiere una potencia térmica máxima de 26.69 MWth, mientras que el ciclo Brayton con CO2 supercrítico demanda solo 22.25 MWth. Además, se observa una reducción en el flujo másico necesario para almacenar energía térmica y satisfacer la demanda de 10 MWe en un día promedio anual. Con almacenamiento termoquímico, Los resultados destacan mejoras significativas con el sistema termoquímico, evidenciando su impacto positivo en el diseño de plantas termosolares de torre central. Para generar una potencia de 10 MWe, el ciclo Rankine requiere una potencia térmica máxima de 26.69 MWth, mientras que el ciclo Brayton con CO2 supercrítico demanda solo 22.25 MWth. Además, se observa una reducción en el flujo másico necesario para almacenar energía térmica y satisfacer la demanda de 10 MWe en un día promedio anual. Con almacenamiento termoquímico, el flujo requerido es apenas el 23.54 % del necesario en un sistema de sales fundidas.
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