Development of 2d metallic nanomaterials for nanofluids with application in concentrating solar power (desarrollo de nanomateriales 2d metálicos para nanofluidos con aplicación en energía solar de concentración)

Resumen

The cost-effective optimisation of renewable power generation systems is a must in the present context of a global climate crisis and a growing demand for reliable, affordable and clean power supply. Reliability is a challenging issue for renewable technologies like photovoltaics, which produces electricity under ceaseless solar irradiation and therefore suffers of daily intermittency. The integration of concentrated solar power plants in hybrid power blocks has been proposed as a solution for this intermittency by taking advantage of thermal energy storage to maintain production and compensate the supply. A limitation for this solution is the low solar-to-thermal energy conversion due to the poor thermophysical properties of the typical heat transfer fluid flowing through solar collectors. The use of nanofluids as has been proposed to improve this conversion. This thesis aims to provide knowledge and understanding of the Physical Chemistry of nanofluids, with particular attention to features and processes that determine their stability and heat transfer and storage capabilities. Here Pd nanoplate-containing aromatic oil-based nanofluids have been prepared and characterised through different techniques to assess their applicability as volumetric absorbers and heat transfer fluids in parabolic trough collectors of concentrating solar power plants. A significant contribution from this thesis refers to the influence of the structure and dynamics of solid-liquid interfaces on the physical properties of nanofluids on the basis of simulations at the density functional theory and molecular dynamics levels-of-theory. The findings presented are expected to have both practical and fundamental implications on future research. --- La optimización del rendimiento de los sistemas de producción eléctrica renovable es una necesidad en el contexto actual, caracterizado por una crisis climática global y una creciente demanda por un suministro eléctrico fiable, rentable y limpio. La fiabilidad es un tema desafiante para algunas tecnologías renovables como la fotovoltaica, que producen electricidad únicamente bajo irradiación solar incesante y sufre, por tanto, de intermitencia diaria. La inclusión de plantas de energía solar de concentración en bloques híbridos de potencia constituye una prometedora solución para esta intermitencia, por aprovechamiento del almacenamiento térmico de energía para mantener la producción y compensar el suministro. Una limitación de esta solución es la baja eficiencia de la conversión solar-térmica por las deficientes propiedades termofísicas del fluido de transferencia de calor que circula a través de los colectores solares. Se propone el uso de nanofluidos para mejorar la eficiencia de conversión. Esta tesis pretende aportar conocimiento y comprensión sobre la Química Física de los nanofluidos, con particular atención a todos aquellos aspectos y procesos que determinan su estabilidad y aptitud para la transferencia y almacenamiento de calor. Se han preparado nanofluidos con nanoplates de Pd en un aceite aromático y se han caracterizado mediante diferentes técnicas para evaluar su aplicabilidad como absorbedores volumétricos y fluidos transferentes de calor en colectores cilindro-parabólicos de plantas de energía solar de concentración. Una contribución significativa de esta tesis se refiere a la influencia de la estructura y dinámica de la interfase sólido-líquido en las propiedades físicas de los nanofluidos, en base a simulaciones desarrolladas en el contexto de la Teoría del Funcional de la Densidad y de la Dinámica Molecular. Se espera que los hallazgos que aquí se presentan tengan implicaciones prácticas y fundamentales en investigaciones futuras.