Bero sentikorreko soluzioak tenperatura altuko biltegiratze termikorako

Tenperatura altuko biltegiratze termikoko teknologien garapenak lotura estua izan du kontzentrazioko eguzki-zentral termikoen garapenarekin eta hedapenarekin. Gaur egun, merkatuan nagusi den teknologia gatz urtuena da, nitratoen nahasketek 450-560ko tenperaturan arrazoizko kostuan jarduteko duten gaitasunari esker, eta gatzak solidotzeko arrisku-eragozpenak eta korrosio-arazoak izan arren.

Tenperatura txikiagoetan ere (400℃-ra arte), hormigoizko biltegiratze termikoa aukera komertziala da. Bestalde, arrokak edo industria-azpiproduktu solidoak (betelanetarako material granularra) erabiltzen dituzten ohe granular finkoko sistemak, merkaturatzeko bidean daude. Horiek, gatz urtuekin eta hormigoiarekin alderatuta, abantaila nagusiak dituzte, hala nola, inbertsio-kostu txikiagoa eta tenperatura-tarte handi batean jarduteko aukera (1000 ℃-ra arte).

CIC energiGUNE gatz urtuen eta ohe pikortsu finkoen teknologiak garatzen eta hobetzen lagundu duten I+Gko eragileetako bat da, RESLAG eta SLAGSTOCK proiektuen buru izan dena berriki, eta ORC Plus proiektuan parte hartu duena ere (proiektuei buruzko informazio gehiago, Europako Batzordearen fitxa ofizialean: RESLAG eta ORC Plus).

Bero latentea biltegiratzearen abantailak eta erronkak

Aurreko teknologia guztiek biltegiratzen/berreskuratzen dute energia biltegiratze-materialaren tenperatura handitzean/gutxitzean (bero sentikorraren bidezko biltegiratzea), eta, beraz, trinkotasun eza dute (bolumen-unitateko biltegiratze-ahalmen txikia). I+G arloko egungo erronketako bat trinkotasuna nabarmen handitzea da, inbertsio-kostua handitu gabe.

Helburu horrekin, komunitate zientifikoak fase-aldaketako prozesuak (bero latentearen bidezko biltegiratzea) edo erreakzio termokimiko itzulgarriak (biltegiratze termokimikoa) ustiatzen dituzten teknologiak garatzen lan egiten du, energia biltegiratzeko oinarrizko printzipio gisa. Hala ere, biltegiratze termokimikoak trinkotasun-potentzial handia badu ere, oraindik garapen-fase hasi berrian dago, biltegiratze-sistema konplexuetara eramaten du eta lotutako kostuak, oraingoz, onartezinak dira.

Aldiz, bero latentearen bidezko biltegiratzeak garapen handiagoa izan du, eta sistema askoz ere sofistikatuagoa ez duen teknologia bat dakar berekin. Hala ere, bilatzen diren trinkotasun-helburuak bete baditzake ere, inbertsio-kostuak oraindik ere bero sentikorraren bidezko biltegiratze-teknologienak baino nabarmen handiagoak dira.

Pentsa daitekeenaren kontra, ez da biltegiratze-materiala izaten, bero-trukagailua baizik, elementu garestitzailea. Izan ere, gehien erabiltzen diren fase-aldaketako materialak kostu txikiko gatz anhidrak dira, urtzean energia termikoa biltegiratzen dutenak eta solidotzearen alderantzizko prozesuan zehar leheneratzen dutenak, eta fusio-entalpia altuak izateagatik bereizten direnak. Hala ere, bere eroankortasun termikoa nahiko baxua da, eta honek, truke azalera handiko bero trukagailuak erabiltzea dakar, deskarga potentziaren baldintzak betetzeko. Izan ere, oro har, bero-trukagailua biltegiratze-sistemaren kostuaren% 60-70 baino gehiago da.

Nola bateratu trinkotasun-beharra kostu txikiko eskakizunekin

CIC energiGUNEk biltegiratze termikoko material berriak garatzen ditu, lehia-kostuetara iristen diren trinkotasun-kotak lortzeko. Material ioniko ez-organikoak dira, eta fase-trantsizioak egoera solido oso energetikoan izaten dituzte. Trantsizio-tenperatura deritzonaren azpitik, materiala kristal-sare oso ordenatu eta trinko bat osatuz antolatzen da. Hala ere, tenperatura horretatik gora, beste fase kristalino bat agertzen da, trinkotasun gutxiagokoa eta noranzko desordena-maila handia duena. Faseen arteko entropia diferentzia handia da eta, ondorioz, faseko trantsizio-entalpia ere bai. Horrek, bero-balio espezifiko handiekin batera, biltegiratze termiko harrigarriro handiko edukiera bolumetrikoa dakar.

Bestalde, materiala beti egoera solidoan egotea, zein fasetan dagoen kontuan hartu gabe, erabakigarria da kostuei dagokienez, biltegiratze-sistema bero-trukagailurik behar ez duen ohe granular finko gisa erabiltzea ahalbidetzen baitu. Gainera, fasez aldatzeko materialaren ezaugarri horrek erraztu egiten du material hori maneiatzea eta garraiatzea, oso moldakorra bihurtzen du biltegiratze-sisteman integratzea, erraz produzitu baitaiteke nahi den tamainan eta forman, eta gatzen ohiko korrosio-arazoak minimizatu edo saihesten ditu.

Material horien propietate argitaragabeen gakoa ezaugarri geometriko eta estrukturaletan dago. XO₄ = geometria tetragonala duten anioiez osatuta daude, non x atomoa (elementu ez-metalikoa edo metaloidea) lau oxigeno atomoz osatutako tetraedroaren erdian kokatzen den, lotura kobalentez eta metal alkalino edo alkalinoterreoen multzoen katioiez lotuta. Trantsizio-tenperaturaren azpitik, molekulak kristal-sareak eratuz antolatzen dira (normalean monoklinikoak, trigonalak edo ortorronbikoak), non atomo guztiek posizio finkoak betetzen dituzten. Hala ere, trantsizio-tenperaturaren gainetik, kristal-sareko gelaxka bateratuaren geometria aldatzeaz gain, ioiek nolabaiteko mugikortasuna dute.

Alde batetik, XO₄⁼ tetraedroen zentroek gelaxka unitarioan posizio finkoak betetzen dituzten arren (normalean kubikoa), azken hauek norabide ezberdinak hartuz biratu dezakete, tetraedroaren geometria "globularra" eta simetria ahalbidetzen duena. Bestalde, katioiek fase likido batera hurbiltzen den mugikortasun/desordena maila bat erakusten dute, katioiaren erradio ionikoa zenbat eta txikiagoa izan orduan eta handiagoa dena. Beraz, fase solidotik erabilerarako trantsizio batean gertatzen denaren kontra, non trantsizioa gauzatzeko behar den energia bat datorren atomoak edo talde atomikoak tenperatura baxuan beren hasierako posiziotik kristal-sare berriko azken posiziora lekualdatzeko behar den lanarekin, hemen energia biltegiratzeko ahalmen gehigarria dugu, tetraedroen noranzko desordenari eta katioien kokapen desordenari lotuta. Are gehiago, azken bi faktore horiek dira fase-aldaketaren entalpia osoari egindako ekarpenik garrantzitsuena.

CIC energiGUNEk orain arte aztertutako materialak sulfatoak, fosfatoak, silikatoak eta horien nahasketak familienak dira. Horien interesa azaltzeko, hiru gai aipatuko ditugu: litio sulfatoa (Li₂SO₄), litio sulfatoaren eta sodio sulfatoaren nahasketa eutektoidea eta LiNaSO₄ konposatu estekiometrikoa. Dagozkion tenperaturak eta faseko trantsizio-entalpiak 1. taulan daude, biltegiratze termikoko aplikazioetarako garrantzitsuak diren beste propietate batzuekin batera. 

1. Li₂SO₄, Li₂SO₄/ Na₂SO₄ eutektoide-nahasketaren eta LiNaSO₄ konposatu estekiometrikoaren propietateak (FI: tenperatura baxuko fase kristalino ordenatua; FII: tenperatura altuko fase kristalina, noranzko desordenarekin) - Dentsitate, bero espezifiko eta eroankortasun termikoaren balioak trantsizio-tenperaturatik hurbil dauden tenperaturetarako ematen dira.

Aipatu berri dugun ezohiko entalpia alde batera utzita (160-252 j/g), nabarmentzekoa da bero espezifikoaren (1.6-2.2 j/g/k) eta eroankortasun termikoaren (2.3-9.4 W/m/k) balio handiak, batez ere fase kristalino desordenatuan. Iraunkortasun-saiakuntzak ere egin zaizkie (adibidez, zikloi termiko luzea), eta horiek arrakastaz gainditu dituzte, baita airearekin kontaktuan egonda ere. Gainera, material ugariak dira, seguruak (ez arriskutsuak, ez toxikoak), ez oso korrosiboak eta merke samarrak (70-99 €/ t). Azkenik, ekoizpen-metodoaren sinpletasuna nabarmendu behar da: Li₂SO₄ eta Na₂SO₄ hautsak hotzean nahastu eta prentsatzea, behar den proportzio masikoan.

 2. Fasez aldatzeko material berriak (sulfatoak) energia termikoa tenperatura altuan biltegiratzeko ohiko erabilerako likido eta solidoekin alderatzea.

2. taulak fase-aldaketako material berri horiek egungo egoerarekiko kokatzea ahalbidetzen du. Bere kostu espezifikoa kostu txikiko solidoen (< 1 €/ kWh) magnitude berekoa dela erakusten du, eta olioena eta gatz urtuena baino askoz txikiagoa, bolumen unitate bakoitzeko biltegiratze termikoaren ahalmen handiagoa lortzeko abantailarekin. Antzeko tenperatura-tarteetan lan egin dezaketen materialekin alderatuz gero (400-600 ℃), erakargarritasuna agerikoa da. Biltegiratze termikoaren guztizko ahalmen bererako, behar den tanke-bolumena galdatutako gatzaren baliokidea baino 2.5-3.5 artekoa izango litzateke, eta kuartzitazko betegarria duen bat baino ia 5 aldiz txikiagoa.

Bolumenak murrizteko gaitasun horrek, materialaren kostu espezifiko txikiarekin batera, CIC energiGUNEren garapenak posizio pribilegiatu batean kokatzen ditu, non proposatutako fase-aldaketako materialek, lehiatzeaz gain, etorkizunean gaur egun erabiltzen diren bero sentikorreko biltegiratze-materialak ordezka ditzaketen.

Ikerketa horiek Europar Batasunaren H2020 programaren euskarriari esker hasi ahal izan ziren. Programa horrek “SOLSTORE: Solid-state reactions for thermal energy storage” proiektua finantzatu zuen, Marie Skodowska-Curie ikerketa-bekaren bidez. Ez 752520 (2017-2019).

Egileak: