Analysis of redox reactions in a fluidized/fixed bed reactor for thermochemical energy storage in solar thermal power plants

Álvarez de Miguel, Sandra (2017). Analysis of redox reactions in a fluidized/fixed bed reactor for thermochemical energy storage in solar thermal power plants. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.48193.

Descripción

Título: Analysis of redox reactions in a fluidized/fixed bed reactor for thermochemical energy storage in solar thermal power plants
Autor/es:
  • Álvarez de Miguel, Sandra
Director/es:
  • González Aguilar, José
  • García de María, Juan Mario
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM)
Departamento: Ingeniería Eléctrica, Electrónica Automática y Física Aplicada
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Cada día somos más conscientes de la necesaria reducción de los consumos eléctricos así como de la necesidad de aumentar la cantidad de electricidad de origen renovable. La energía solar tiene el potencial de producir la energía eléctrica requerida para el consumo de la población, pero para ello es necesario implantar un sistema de almacenamiento de energía que permita producir electricidad independientemente de la disponibilidad de luz solar. El almacenamiento termoquímico de energía térmica, comparado con sistemas de almacenamiento sensible o latente, presenta mayor densidad energética lo que se podría traducir en menores costes del sistema de almacenamiento. Además, almacenar la energía en forma de enlaces químicos, permite su conservación durante un tiempo indeterminado, incluso el transporte de las sustancias químicas para la producción de energía en otro lugar. Por último, el proceso de descarga produce energía térmica de gran calidad en condiciones isotermas lo que permitiría el uso de turbinas de gran eficiencia para la producción de electricidad. Para desarrollar los sistemas de almacenamiento termoquímico en centrales solares termoeléctricas es necesario seleccionar las reacciones químicas que se dan en ese rango de temperaturas y demostrar su correcto desempeño. Existen numerosas centrales solares con un amplio abanico de condiciones de trabajo, centrándose en una posible futura aplicación de centrales solares de receptor central, la investigación llevada a cabo propone el uso de óxido de manganeso como reactivo básico del sistema de almacenamiento. En la presente Tesis se ha realizado un concienzudo análisis del uso de óxidos de manganeso como material para almacenamiento termoquímico. Con el óxido de manganeso en polvo, se ha estudiado su cinética, su conductividad térmica, reactividad y morfología. No obstante, considerando que para la aplicación de almacenamiento el material debe ser peletizado, se han desarrollado nuevas metodologías que permiten evaluar las variaciones en la dureza, densidad, porosidad, volumen, morfología y reactividad de los pellets tras la aplicación de diversos tratamientos térmicos. Se ha realizado un estudio pormenorizado del óxido de manganeso puro y también de un óxido de manganeso dopado con un cinco por ciento con hierro. La información obtenida de estos estudios crea la línea base para comparar los cambios sufridos por el material de estudio cuando es sometido a varios ciclos de carga y descarga en un reactor de lecho fijo y/o fluidizado. En general, las condiciones experimentales que el material tendría en una planta solar, se ha diseñado, construido y puesto a punto una instalación experimental. Esta instalación ubicada en el IMDEA Energía de Móstoles, consta de un reactor y sus sistemas auxiliares capaces de producir caudales de aire hasta 60 Nm3/h desde temperatura ambiente hasta 1100 ºC. Además se han definido todas las variables y parámetros de control, así como las alarmas pertinentes y se ha desarrollado un sistema de adquisición de datos. Inicialmente el reactor se caracteriza empleando un material inerte, a continuación se realizan ensayos con óxido de manganeso puro y dopado tanto en condiciones de lecho fijo como en lecho fluidizado. El efecto que estos ensayos tienen en el material se evalúa y compara con la información previamente obtenida del material. Si bien el óxido de manganeso puro mantiene unas buenas propiedades mecánicas, pierde la reactividad en un número muy limitado de ciclos térmicos, lo que hace inviable su aplicación. No obstante, la mezcla del óxido de manganeso con hierro conlleva una gran mejora de las características químicas alcanzándose una estabilidad química, no así de las propiedades mecánicas que no serían suficientes para aguantar la abrasión que sufriría el material en una central solar. La principal conclusión alcanzada en esta Tesis es que el óxido de manganeso puede servir de sustancia básica principal para el almacenamiento termoquímico de energía térmica, pero se requiere su combinación con otros óxidos metálicos que permitan llegar a un compromiso entre la estabilidad química del material y sus propiedades mecánicas. ----------ABSTRACT---------- The population is increasingly aware of the need to reduce the overall energy consumption as well as to increase the renewable share in the consumed electricity. Solar energy has the potential to supply enough electricity to match the energy consumption, its biggest challenge lies in overcoming its great dependence on the weather. To avoid these supply problems, the incorporation of an energy storage system that allows the production of electricity, independently of the availability of the solar resource, is being studied from different fronts. Thermochemical energy storage, compared to sensible or latent heat storage systems, has several advantages. Its higher energy density could allow significant cost reduction. In addition, the energy can be stored for an indefinite period, including the possibility of transporting the chemical substances for the production of energy in a different place. Finally, the discharge process produces high quality thermal energy under isothermal conditions which would allow the use of highly efficient turbines for the production of electricity from this heat source. In order to develop a thermochemical storage system of application in solar thermal power plants, it is necessary to identify chemical reactions that work in the appropriate temperature range and demonstrate their feasibility. For central receiver solar power plants suing air as heat transfer fluid, this work analyses the use of manganese oxide as a chemical material for thermal energy storage. Thus, an important effort has been made in the characterization of the manganese oxide in powder form: the kinetics of the reaction are analysed, but also other properties as conductivity, reactivity analysis or morphology are studied. Considering that for heat storage application the material needs to be shaped to form pellets, a completely new methodology has been created to measure the evolution of the pelletized material in terms of hardness, density, porosity, volume, morphology and reactivity, with the different thermal cycles applied. Not only has the reactivity and suitability of pure manganese oxide been evaluated, but also a doped material consisting of manganese oxide with five percent iron oxide in its composition has been tested. Through this exhaustive analysis, a base line of the material characteristics is gathered. The compiled information will be used as reference in order to evaluate the effect of the thermochemical storage cycle on the material when using a fixed/fluidized bed reactor. An experimental facility, able to provide the experimental conditions for assessing metal oxides pellets as suitable materials for thermochemical heat storage, has been design, built and commission. The selection of the control variables, alerts, control parameters and the development of the data acquisition system is also developed. The control of the workbench is optimized through simulation and intermediate results. The facility is compose of a reactor where the material would be tested and, a workbench which reproduces the different working conditions which can change from very little air flow rates up to 60 Nm3/h and from room temperature up to 1100 ºC. Firstly, the reactor is characterized by using inert materials consisting in alumina pellets. Secondly, pure and doped manganese oxides are tested in fixed and fluidized bed conditions. To conclude, the effect of the assays in the material is analysed and measured in comparison to the base material investigation performed The conclusion of this study indicates that pure manganese oxide, while meeting the mechanical requirements for service in a solar plant, does not in itself have the chemical characteristics required to withstand loading and unloading cycles during several years of service. However, the doped material presents a great improvement of the chemical characteristics, being its reactivity more stable. The stick to this improvement lies in the reduction of the mechanical strength necessary to withstand the abrasion to which it would be subjected in the working conditions of the solar power plant. The information obtained in the development of this Thesis leads to the conclusion that although manganese oxide may be the base substance for thermochemical storage in concentrated solar power plants, a combination with other metallic oxides is necessary to obtain a compromise solution between the mechanical requirements of the substance and its reactivity.

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ID de Registro: 48193
Identificador DC: http://oa.upm.es/48193/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48193
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.48193
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 19 Oct 2017 06:40
Ultima Modificación: 18 Abr 2018 22:30
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