Nanofluidos basados en nanopartículas metálicas con propiedades térmicas optimizadas para su aplicación en la industria termosolar

Zusammenfassung

La proximidad del fin de los combustibles fósiles como principal fuente de energía, unido a la masiva demanda energética producto del incontrolable crecimiento poblacional y el enorme grado de industrialización y urbanización, está ocasionando que la apuesta por energías provenientes de recursos naturales, limpios y renovables sea, cuanto menos, obligatoria e inminente. El aprovechamiento de las nuevas energías centradas en el sol, el agua o el viento, entre otras fuentes, repercutirían en un saneamiento tanto a nivel de producción energética como a nivel de disminución de la contaminación y emisión de gases nocivos. En las últimas décadas, la energía solar es la fuente natural que más atención y atractivo ha promovido, generando una cada vez más significativa participación en la gestión y producción de energía global a nivel mundial. Dentro de ella, además de la energía solar fotovoltaica, se encuentra la energía termosolar de concentración, la cual está emergiendo como una interesante alternativa, y más concretamente, las centrales termosolares que usan espejos cilindro-parabólicos como foco de concentración de la energía solar. En este tipo de plantas, la luz solar es concentrada para calentar un fluido, capaz de transportar y almacenar energía térmica, para posteriormente generar vapor de agua en un intercambiador de calor, el cual acciona una turbina para producir energía eléctrica. España se sitúa como uno de los líderes mundiales en producción energética en este campo, lo que supone un marco inmejorable para el tema de la presente Tesis Doctoral. Sin embargo, para ser una fuente de energía de alto rendimiento y con la capacidad de almacenar energía sin necesidad de combinarse con otras centrales o plantas, la eficiencia global de estas plantas debe ser mejorada mediante la optimización de algunos de sus componentes, como por ejemplo, las propiedades térmicas del fluido intercambiador de calor, generalmente aceites térmicos, los cuales presentan bajos valores de conductividad térmica. Una alternativa a los fluidos térmicos, hallada desde hace más de dos décadas, se basa en la suspensión de partículas sólidas de dimensiones nanométricas que, entre otros resultados, causan un incremento de la conductividad térmica respecto a los fluidos. Estos nuevos fluidos se han conocido desde entonces como nanofluidos. Los metales como la plata, el oro y el platino presentan conductividades térmicas muy superiores al fluido base que usualmente se utiliza en la industria termosolar: un aceite térmico formado por la mezcla eutéctica de óxido de difenilo y bifenilo. Por tanto, en la presente Tesis Doctoral se han establecido como objetivos principales el diseño y preparación, empleando diferentes metodologías, de nanofluidos basados en nanopartículas de plata, oro y platino. Los nanofluidos preparados fueron caracterizados en relación a su estabilidad temporal y a la posible mejora de la eficiencia como fluido transferente de calor, atendiendo a sus propiedades térmicas y reológicas. Los resultados obtenidos han demostrado que, entre otros aspectos, las nanopartículas metálicas mejoran la conductividad térmica de los nanofluidos (alcanzando un 70% de mejora para nanofluidos basados en oro y un 37% para nanofluidos basados en platino) y, pese a que la adición de nanomaterial y aditivos tales como surfactantes conlleve inherentes aumentos en valores de viscosidad, contraproducentes en términos de eficiencia, se han obtenido considerables mejoras de la eficiencia en los procesos de transferencia de calor en los nanofluidos respecto al fluido base (desde un 6% para el caso de nanofluidos basados en plata hasta un 36% para los correspondientes nanofluidos basados en oro). A su vez, se ha determinado que los nanofluidos preparados cumplen con una estabilidad temporal que permite una suspensión duradera del nanomaterial, limitando los fenómenos de aglomeración y precipitación innatos de los nanomateriales en este tipo de suspensión coloidal. En este aspecto, se considera esencial la adición de transferentes de fases y surfactantes que permiten la presencia de nanomaterial en el seno del fluido base y mejoran la suspensión del mismo. Por último, también se ha demostrado que la aplicación de tratamientos de sonicación es indispensable para conseguir la dispersión de la mayor cantidad de nanomaterial posible en el fluido base empleado, y que la acción conjunta de este tratamiento unido a la presencia de surfactantes es una estrategia fructuosa. Por otro lado, con el propósito de complementar el conocimiento y entendimiento de estos sistemas, y alcanzar un compromiso con el estudio experimental, se ha procedido a realizar un análisis teórico de los sistemas nanofluidos a nivel molecular mediante simulaciones de Dinámica Molecular. Los avances tecnológicos y el desarrollo de grandes y eficientes clústeres para supercomputación están permitiendo que los estudios de sistemas reales mediante simulaciones sean cada vez más frecuentes en el campo de la química en general, y de los nanofluidos en particular. Los tres sistemas nanofluidos preparados en la presente Tesis Doctoral han sido analizados mediante simulaciones de Dinámica Molecular con el fin de obtener resultados de las propiedades de transporte y térmicas de interés para su comparación con los resultados experimentales y conocer mediante el análisis de las propiedades estructurales cómo es la organización de las moléculas del fluido base y de los surfactantes alrededor de las nanopartículas metálicas de plata, oro y platino. Los resultados calculados para las propiedades de calor específico isobárico y conductividad térmica muestran que la adición de nanopartículas metálicas mejora ambas propiedades, coincidiendo con la tendencia obtenida experimentalmente. Por su parte, el análisis de la función de distribución radial y de la función de distribución espacial revela disposiciones dinámicas de las moléculas del fluido base y de los surfactante alrededor de las nanopartículas, y cómo estas organizaciones moleculares repercuten en la estabilidad de los nanofluidos y en el aumento de propiedades térmicas. Por tanto, el estudio de nanofluidos basados en nanopartículas de plata, oro y platino, usando como fluido base un aceite térmico compuesto por una mezcla eutéctica de óxido de difenilo y bifenilo, demuestra que estos nuevos fluidos presentan una suficiente estabilidad temporal y un interesante aumento de la eficiencia en los procesos de transferencia de calor, gracias principalmente a un significativo aumento de los valores de conductividad térmica, que hace que su aplicación directa en plantas de concentración termosolar de alta temperatura, como sustitutos de los fluidos transferentes de calor usados actualmente, sea recomendada y viable.