Metodología para el diseño y optimización térmica de reactores solares

Resumen

De acuerdo con la creciente escasez de combustibles fósiles y el aumento de las emisiones de CO2, surge la necesidad de diseñar equipos para obtener combustibles libres de emisiones de CO2 a partir de energías renovables. En este contexto, el objetivo de la Tesis Doctoral consiste en el desarrollo de una metodología para el diseño de reactores solares. Estos equipos están enfocados a la producción de hidrógeno como alternativa a los combustibles fósiles y a partir de energía solar como fuente de energía renovable. En la actualidad y a corto plazo, la mayoría de los reactores solares se destinan a la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles. Sin embargo, a largo plazo, la producción de hidrógeno a partir de combustibles libres de emisiones de CO2 será competitiva mediante procesos tales como los ciclos termoquímicos. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral consiste en el desarrollo de una metodología para el diseño/optimización térmico de reactores solares para la producción de hidrógeno mediante técnicas de cálculo de Fluidodinánica Computacional (CFD). Para lograr este objetivo se plantean objetivos intermedios que facilitan el desarrollo de la misma. Estos objetivos se describen a continuación: Documentar el estado y desarrollo actual de los ciclos termoquímicos, reactores solares y métodos desarrollados para el diseño de los equipos. Para ello, se realiza un estudio bibliográfico sobre la producción de hidrógeno solar. Para ello, se analizan todos los procesos de producción tanto a partir de hidrocarburos como del agua pero debido a la necesidad de reducir el uso de combustibles fósiles y las emisiones de CO2, la revisión bibliográfica se enfoca a la producción de hidrógeno mediante ciclos termoquímicos. En segundo lugar, se analiza la situación actual de los reactores solares existentes registrando las principales ventajas, inconvenientes y fase de desarrollo de los mismos. Por último, se realiza una revisión del uso de herramientas CFD para la optimización de reactores solares. De forma que se analizan los programas y modelos utilizados en la literatura. Desarrollo de una metodología detallada para el diseño térmico de un reactor solar con técnicas CFD. Para ello, se presentan las consideraciones previas a tener en cuenta para el diseño térmico. A continuación se comparan los distintos modelos que pueden ser implementados en la metodología de acuerdo al tipo de reactor y características del mismo. Por último se presentan los pasos a seguir en la herramienta CFD para el modelado térmico de un reactor solar. Estos apartados se describen detalladamente y se presentan los resultados para un caso base que permita su reproducibilidad. Análisis paramétrico de los principales factores de diseño para mejorar la eficiencia térmica del mismo. Para ello, se analiza la influencia de los parámetros de diseño y operación en las prestaciones finales del reactor utilizado como caso base, de forma que se puede evaluar la influencia de cada modificación realizada en el diseño. Validación de la metodología con resultados experimentales. En primer lugar, se valida la distribución de radiación incidente sobre el receptor comparando el modelo de Montecarlo en ANSYS – CFX utilizado en la metodología con TracePro®. En segundo lugar, se valida la metodología definida comparando los resultados de temperatura con las temperaturas más relevantes en un reactor solar experimental. Aplicación de la metodología en distintos proyectos públicos y privados. La aplicabilidad de la metodología queda garantizada tras ser utilizada para el diseño de dos reactores solares. El primero de ellos para una instalación de torre de 250 kW y producción de hidrógeno mediante ciclo termoquímico de ferrita a 1400 ºC, y el segundo para una instalación de disco parabólico de 25 kW para la producción de hidrógeno a 900 ºC mediante ciclo termoquímico de ferrita. Las aportaciones más relevantes del trabajo desarrollado en la Tesis Doctoral al estado del conocimiento en el modelado de reactores solares de alta temperatura son: - Tras la revisión bibliográfica realizada se identifica la necesidad de desarrollar una metodología detallada para el diseño de reactores solares, especificando las consideraciones necesarias para analizar los fenómenos de transferencia de calor para los distintos tipos de reactor. - En la Tesis Doctoral se presenta el estudio del reparto de energía desde la cavidad hacia la parte sólida/fluida del lecho reactivo en función del tipo de lecho (monolito, espuma o de partículas). El efecto de analizar la transferencia de calor en función de la variación radial de la porosidad mejora la precisión del diseño en el caso de reactores tubulares con respecto a los estudios analizados en el estado del arte. - A diferencia de los estudios de la literatura, se determina la necesidad de evaluar simultáneamente el mallado de acuerdo a las buenas prácticas junto con el parámetro de radiación que determina la precisión.