La energía solar está llamada a jugar un papel fundamental en la transición hacia una economía neutra en carbono, eliminando así la dependencia de los combustibles fósiles. Así, de entre las diferentes fuentes de energía renovables, la conversión de radiación solar en calor útil (energía solar térmica o termosolar) o electricidad (energía solar fotovoltaica) destaca por los elevados valores de densidad de potencia (W/m2) que pueden obtenerse mediante sistemas de captura, conversión y almacenamiento de energía solar. En este sentido, los sistemas de concentración de energía solar térmica (CSP) resultan especialmente atractivos ya que, mediante el pertinente desarrollo industrial y optimización, se estima que podrían abastecer hasta un 7% de las necesidades energéticas mundiales en 2030.
En líneas generales, los sistemas de CSP producen calor o electricidad mediante el uso de cientos de espejos que concentran los rayos del sol en una superficie pequeña. De esta forma, se genera electricidad cuando la luz concentrada es convertida en calor, que impulsa un motor térmico (turbina de vapor) conectado a un generador de electricidad. En los denominados sistemas de receptor central o de torre solar, se utiliza un campo de espejos distribuidos que realizan un seguimiento individual del sol y dirigen la luz solar hasta la parte superior de una torre. Así, concentrando la luz solar de 600 a 1000 veces se logran unas temperaturas desde 800°C hasta más de 1000°C.
Uno de los aspectos clave en la tecnología de torre solar son los denominados absorbedores volumétricos situados en lo alto de la torre y que actúan a modo de intercambiadores de calor, transfiriendo este calor a un fluido de trabajo que, a su vez, generará el vapor necesario para accionar la turbina. Por consiguiente, el absorbedor es el elemento que recibe la radiación solar y alcanza altas temperaturas por lo que debe estar fabricado con un material que presente, entre otras, las siguientes propiedades: estructura porosa, elevada eficiencia de conversión térmica (η), alta resistencia térmica, resistencia química (especialmente frente a la oxidación), resistencia mecánica y conductividad térmica.
Con todo esto en mente, los materiales cerámicos se presentan como candidatos idóneos para la fabricación de estos componentes que resultan clave en el rendimiento de este tipo de sistemas CSP. Así, existen dos parámetros que resultan cruciales en la selección de cerámicas para fabricar receptores volumétricos:
- La absortancia solar (αS), es decir, la fracción de la radiación solar incidente que es absorbida por el material en el rango de longitudes de onda 0.28-2.5 mm (UV-vis-NIR)
- La emisividad térmica (ε), o lo que es lo mismo, las pérdidas de energía en forma de radiación IR emitida por el material
Así, la relación entre ambos factores determinará el factor de eficiencia η, o en otras palabras, el flujo de energía neto transferido desde el receptor volumétrico al fluido de trabajo, comúnmente aire. Concretamente, η aumenta cuando se emplean materiales con valores de αS elevados y con valores de e lo más pequeños posibles.
Las cerámicas no oxídicas, como los carburos y nitruros, son los materiales más comúnmente empleados en la fabricación de receptores volumétricos. Esto se debe, principalmente, a que presentan valores de αS altos y excelentes propiedades térmicas. En este sentido, el carburo de silicio (SiC), solo o formando composites con el nitruro de aluminio (AlN), es el material preferido para este tipo de aplicaciones, con valores de αS cercanos a 1 y de e de alrededor de 0.1. Sin embargo, presenta inconvenientes tales como su dificultad de conformado, su relativa facilidad de oxidación y fractura o su elevado coste.
Por todo lo anterior, las cerámicas de naturaleza oxídica, como alúmina (Al2O3) o circona (ZrO2), podrían suponer una potente alternativa al SiC. Así, en el caso de la alúmina, esta presenta excelentes resistencias térmica, mecánica y química, concretamente en procesos de oxidación, a diferencia de lo que ocurre con el SiC, por lo que resulta un candidato idóneo para trabajar bajo las condiciones tan extremas como a las que están expuestos los absorbedores volumétricos. Sin embargo, presenta valores de αS bajos que limitan notablemente su aplicación, afectando sensiblemente tanto a la eficiencia del absorbedor volumétrico como del sistema completo de torre solar.
Por consiguiente, modificar las propiedades ópticas de la alúmina, con el fin de poder emplearla en la fabricación de absorbedores para CSP, constituye un área de investigación de gran interés y que, además, podría suponer una reducción significativa del coste de los receptores volumétricos que se traduciría, a su vez, en una reducción en el coste total del sistema de torre solar, haciéndolo más competitivo frente a otras tecnologías. Esta es una de las líneas de trabajo abordadas en el proyecto CERAMITECH, desarrollado desde el Área de Materiales y Tecnologías Cerámicas de ITC-AICE, y financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE).
Más información: Advanced Ceramics for Energy Conversion and Storage
Imagen: Esquema de una planta CSP de torre central
Fuente: Sustainability