Almacenamiento de energía mediante ciclos termoquímicos de CaO

Abstract

El uso de combustibles fósiles como principal fuente de energía a nivel mundial ha provocado durante el último siglo un significativo aumento en los niveles de emisión de gases de efecto invernadero, contribuyendo a lo que hoy se conoce como cambio climático. La adaptación a sistemas energéticos con reducidas emisiones de gases de efecto invernadero así como un eficiente uso de los recursos energéticos se presentan como aspectos esenciales en materia de lucha contra el cambio climático. En este sentido las tecnologías de almacenamiento de energía de tipo térmico y termoquímico a alta temperatura (>400ºC) han sido propuestas como soluciones viables ya que permiten mejorar la eficiencia energética y la flexibilidad de procesos de producción energética convencionales así como el mayor desarrollo y fiabilidad de las energías renovables de tipo intermitente mediante el establecimiento de un puente temporal entre la demanda y el suministro de energía. Pese a las ventajas de la adaptación a gran escala de los sistemas de almacenamiento de energía a alta temperatura, se trata de una tecnología poco desarrollada en el estado del arte. En este aspecto, el estudio y desarrollo de novedosos sistemas de almacenamiento de energía basados en el uso de reacciones reversibles a alta temperatura empleando CaO constituyen el objetivo central de la presente Tesis Doctoral. El trabajo llevado a cabo en esta Tesis Doctoral se ha centrado en el uso de las reacciones de carbonatación/calcinación de CaO/CaCO3 en procesos de combustión convencional e hidratación/deshidratación CaO/Ca(OH)2 en sistemas de energía solar de concentración como medios de almacenamiento de energía. Para ello se han realizado estudios tanto a nivel de diseño conceptual de estos novedosos sistemas de almacenamiento, como de modelado de reactores (y su validación con resultados a escala de planta piloto) así como estudios cinéticos y de desarrollo de materiales basados en CaO aptos para su uso en estos sistemas de almacenamiento. Dos grandes líneas de investigación, con similitudes entre ellas, se han diferenciado en la presente Tesis Doctoral. La primera línea de investigación, desarrollada a nivel conceptual únicamente, se basa en el uso de sistemas de almacenamiento de energía para su aplicación en procesos de combustión convencionales mediante lechos de tipo fluidizado tanto en aquellos sistemas con captura de CO2 integrada como sin ella. El almacenamiento de energía en estos procesos se presenta como una alternativa económica y competitiva en aquellos mercados energéticos en los cuales se requiere operar con una alta flexibilidad. En la presente Tesis Doctoral se han propuesto y analizado mediante balances de materia y energía los esquemas básicos para los sistemas de almacenamiento estudiados. En la segunda línea de investigación, se profundiza en el uso de las reacciones de hidratación/deshidratación de CaO/Ca(OH)2 como sistema de almacenamiento termoquímico en plantas de energía solar concentrada con el fin de dotar de una producción energética más estable a este tipo de energía renovable intermitente. En primer lugar se incluye el estudio a nivel conceptual y de diseño de reactores de esta tecnología empleando para ello lechos de tipo fluidizado. Resultados experimentales obtenidos mediante ensayos en plantas piloto en condiciones de operación relevantes para la aplicación de este sistema a gran escala, han sido analizados en detalle y comparados con los modelos de reactor desarrollados. Finalmente, la última parte de la Tesis Doctoral se centra en el estudio de materiales basados en CaO/Ca(OH)2, tanto de origen natural como sintetizados, para su uso durante cientos de ciclos de carga y descarga del sistema de almacenamiento. Las propiedades tanto químicas (en cuanto a reactividad y reversibilidad) así como mecánicas (de resistencia a la ruptura y a la atrición) de diversos materiales son analizadas en detalle en la presente Tesis Doctoral. RESUMEN (en Inglés) During the last century, the sharp increase in greenhouse gases emissions due to the use of fossil fuels as main energy source in most of the global economies was the main factor responsible for climate change. Therefore, the progressive adoption of new energetic mixes with reduced greenhouse gas emissions and a more effective use of available energy resources are considered essential for tackling climate change. The use of high-temperature (>400ºC) thermal or thermochemical energy storage technologies has been presented as a suitable solution since it would contribute to increasing the energy efficiency, favour the flexibility of conventional energy production systems and facilitate the development of intermittent renewable energies by establishing a temporal bridge between energy demand and supply. Despite the significant advantages of the high temperature energy storage systems, they have not been developed to a state-of-the-art level on a large scale. Therefore, the main objective of this Thesis has been to contribute to the study and development of newly energy storage systems based on the use of reversible reactions at high temperature using CaO. The work developed within the framework of this Thesis is focused on the use of the carbonation/calcination of CaO/CaCO3 and hydration/dehydration of CaO/Ca(OH)2 as energy storage systems in conventional combustion systems and in concentrated solar power plants respectively. Conceptual design studies of the new energy storage systems as well as reactor modelling (validated against experimental results from pilot plants) and the evaluation of CaO materials for their practical use have been conducted. Two main research paths, that share certain similarities, are followed in this Thesis. Firstly, the use of energy storage systems for conventional combustion processes using fluidized bed combustors (with or without integrated CO2 capture systems) is studied at a conceptual level. These energy storage systems are presented as an economic and competitive alternative in highly flexible energy markets. Basic designs have been proposed and the related mass and heat balances solved. Secondly, the hydration and dehydration reactions of CaO and Ca(OH)2 have been studied in-depth for use in concentrated solar power systems to allow a more stable energy production of this inherent intermittent renewable energy. Studies at a conceptual level as well as reactor models have been developed using fluidized bed reactors for the hydration/dehydration reactions as the key element of the energy storage system. The reactor models have been compared and validated against experimental results obtained from pilot plant tests performed under operation conditions relevant to the large scale application of this energy storage system. The final section of this Thesis investigates CaO/Ca(OH)2-based materials (both natural and synthesized) for their use over hundreds of charge and discharge cycles. The chemical and mechanical properties of different CaO/Ca(OH)2-based materials have been studied in-depth to test for reactivity/reversibility and crushing strength/attrition resistance, respectively.