Transferência de calor de sódio para magnésia recebe teste de armazenamento

Apr 15, 2023

Postado em 5 de dezembro de 2022 10 de dezembro de 2022 Autor Susan Kraemer

Teste de protótipo de tijolos de magnésia no laboratório de sódio em escala de bancada, financiado pela ASTRI. Image@Desenvolvimento de um protótipo de armazenamento de energia térmica de leito compactado com sódio como fluido de transferência de calor

Pesquisadores solares estão testando o armazenamento de energia térmica em tijolos cerâmicos de magnésia empilhados – usando um metal líquido; sódio, como fluido de transferência de calor. Os tijolos de magnésia serão mantidos em leito compactado em um único tanque de armazenamento; portanto, ele conterá o sódio líquido em seu estado quente e "resfriado" (150°C) utilizando o armazenamento em termoclina.

O processamento térmico solar concentrado (CST) para a indústria pesada requer materiais de alta temperatura. Tanto o sódio líquido quanto a magnésia são adequados para esse armazenamento de energia em alta temperatura.

A necessidade de armazenar energia não se tornou apenas um problema com a energia renovável de hoje. O gás sempre foi armazenado em vastas cavernas subterrâneas. O petróleo é armazenado em enormes tanques subterrâneos e reservas nacionais de petróleo. O carvão é empilhado do lado de fora das usinas elétricas ou aguarda a bordo de vagões de trem que se movem lentamente pelos continentes.

O armazenamento é necessário para a rede elétrica. No CSP, a forma térmica da energia solar, o armazenamento é térmico; em sais fundidos quentes. Estes transferem calor e também o armazenam a cerca de 560°C. Esse tipo de energia solar usa uma estação de energia térmica para gerar eletricidade a partir do vapor, como uma usina de carvão ou nuclear. Esses sistemas de turbina a vapor precisam apenas de uma temperatura de cerca de 400°C.

Agora, o armazenamento é ainda mais crucial à medida que a energia solar térmica concentrada (CST) começa a substituir a queima de combustíveis fósseis para fornecer calor para processos industriais. Esses processos devem funcionar ininterruptamente, em temperaturas superiores a 800°C ou mais, no verão e no inverno.

Para atingir temperaturas mais altas, os pesquisadores da CST estão procurando novas tecnologias para transferir calor e mantê-lo quente. Uma maneira é dividir a tarefa entre dois materiais. Um fluido mais adequado para transferir altas temperaturas pode aquecer um material sólido mais capaz de armazenar o calor.

Por esta razão, os pesquisadores no campo CST estão investigando fluidos de transferência de calor e materiais de armazenamento térmico que funcionam bem juntos e podem atingir temperaturas mais altas.

Uma equipe da Australian National University (ANU) propõe testar uma nova combinação. Seu artigo, Development of a Packed Bed Thermal Energy Storage Prototype with Sodium as the Heat Transfer Fluid and a SolarPACES2022, descreve seu trabalho.

Eles estão experimentando o sódio líquido como fluido de transferência de calor e armazenando o calor em tijolos de magnésia comercial de baixo custo, que, como cerâmica, podem absorver e reter o calor melhor do que a maioria das rochas. O sódio tem uma faixa de trabalho entre 100°C a 800°C, muito mais quente e uma faixa de trabalho muito mais ampla do que os sais fundidos (290°C a 565°C).

"Portanto, o sódio é potencialmente um fluido muito interessante para sistemas de alta temperatura por causa de sua capacidade de alta temperatura e ampla gama de líquidos", disse o principal autor Joe Coventry, professor associado da ANU. "E os tijolos de magnésia têm boa estabilidade termodinâmica em contato com sódio a 750°C. Além disso, eles são apenas um produto comercial muito padrão usado como revestimento refratário na fabricação de aço. Você pode comprá-los a granel. Não se preocupe com o fornecimento."

Seguindo sua modelagem no FactSage identificando a cerâmica promissora; magnésia, a equipe construiu um protótipo em escala de bancada no laboratório de sódio da universidade. Aqui ele irá testar a precisão das simulações do desempenho deste sistema de leito empacotado.

Nesta forma de armazenamento de energia térmica, pedras, seixos ou areia que suportam temperaturas muito altas são acondicionadas em um recipiente. O material sólido é aquecido por um fluido de transferência de calor – um gás ou líquido. Gases como ar ou CO2 supercrítico podem suportar temperaturas muito altas.

Localizar as melhores cerâmicas para leitos embalados com metais líquidos para o fluido de transferência de calor é outra área de interesse de pesquisa de alta temperatura, por exemplo, no Liquid Metal Laboratory do Karlsruhe Institute of Technology (KIT), liderado por Klarissa Niedermeier.