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Materiales Térmicos a base de Litio: Una alternativa prometedora para tecnologías CSP
ATEGIMICH UAI
7 de septiembre de 2016
Seminario Internacional en Tecnologías de Concentración Solar para la Industria
Gustavo CáceresMacarena Montané
Actividades
Línea de investigación ATEGIMICH – UAI
• OBJETIVO:
• Desarrollo de tecnología para almacenamiento y transferencia de energía enfocando su uso en sistemas térmicos, dando valor a recursos naturales de Chile
2
Litio y sales Cobre-sistemas
térmicos mineros
Sistemas y materiales TES - HTF para plantas CSP
Investigación de mecanismos para mejorar el desempeño de los HTTES actuales
Simulaciones numéricas
Análisis económicos de nuevos materiales e implementación de sistemas.
Transporte y almacenamiento de energía térmica en planta CSP
3
CHILE: Principal productor de sal solar con40-50% del mercado
Almacenamiento térmico de energía (TES) Permite gestión de energía. Aumenta factor de planta, hasta 80%
funcionando 24/24 (TES de 17 hrs). Materiales utilizados:
Sal solar (40% KNO3 + 60% NaNO3) Agua
Materiales utilizados para trasporte (HTF): Aceites (se degradan a los 400°C ), agua, aire. Sales fundidas (resisten temperaturas sobre
los 500 °C pero son mas caras)
Sistemas TES y opciones de mejora
• Mecanismos de almacenamiento térmico
• Calor sensible
• Calor latente
• Calor termoquímico
• Mejoras en propiedades de materiales
• Térmicas (ej. Cp, transferencia térmica)
• Físicas (ej. densidad)
• Químicas (ej. Corrosión)
• ECONÓMICAS:
• Bajar costos de materiales TES y HTF
• Disminuir volúmenes de materiales y equipos (impacta LCOE) 4
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Potencial uso del litio en la industria solar
térmica
Mayores densidades energéticas y menor
cantidad de material.
Aumentar rango de temperatura de trabajo
Menor riesgo de solidificación: Ahorro estimado
de mayor o igual a 2% en autoconsumo por
menor punto de fusión.
Disminución del costo nivelado de la energía
~4% acorde a análisis preliminar.
Parte de los temas estudiados delPrograma Estratégico Solar.
Ventajas identificadas: Litio para TES y HTF
• Beneficios del litio para sales fundidas:• Menores temperaturas de fusión
• Mayores capacidad de almacenamiento por calor sensible
Fuente: Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) - 2010; SERC (2015); ATEGIMICH – Universidad Adolfo
Ibáñez (2015). 6
Litio – Material con potencial TES-HTF
MixtureMelting
pointSensible heat Density TES capacity
C° kJ/kg K kg/m3 kJ/K m3
40% KNO3 + 60% NaNO3 (Sal solar) 222 1,54 2192 3375,68
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO3
117 2,32 1720 3990,4
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO379 1,50 1780 2670
30% LiNO3 + 60% KNO3 + 10% Ca(NO3)2
132 1,4 1773 2482,2
53% KNO3 + 29% LiNO3 + 18% NaNO3120 1,64 1780 2919,2
Estudios de nuevos materiales: esponja de cobre con sal solar vs nitrato de litio
Comparación energética de 3 materialesSimulación 3 poros de cobre con sal
solar en su interior
Milí
met
ros
Milímetros
Esquema Físico
Flujo de calor
Cobre/ grafito
Nitrato
Medio adiabático
Estudios de nuevos materiales: sal solar vs nitrato de litio encapsulada con cobre
Ejemplos de sales encapsuladas
Metal Cerámica
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
0 100 200 300 400 500 600 700 800
The
rmal
en
erg
y [J
]
Time [s]
KNO3/NaNO3 LiNO3/KNO3/NaNO3 LiNO3 NaNO3
Energía total almacenada por PCM encapsulado en cobre
Flujo de calor
ShellPhase changeMaterial (PCM)
Sales solares PCM encapsuladas en Cu con acoplamiento termomecánico.
Shell Phase changematerial (PCM)
Análisis económico de litio térmicoen plantas CSP
Oportunidad para el litio chileno
ATEGIMICH UAI
• Beneficios del litio para sales fundidas:• Menores temperaturas de fusión
• Mayores capacidad de almacenamiento por calor sensible
Fuente: Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) - 2010; SERC (2015); ATEGIMICH – Universidad Adolfo Ibáñez
(2015); Programa Estratégico Solar (2015). 11
Litio – Material con potencial TES-HTF
MixtureSensible heat
Mixture Price
kJ/kg K USD/kg40% KNO3 + 60% NaNO3 (Sal solar) 1,54 0,72
25.92% LiNO3 + 20.01% NaNO3 + 54.07% KNO32,32 1,68
KNO3 + NaNO2 + LiNO2 + NaNO31,50 1,93
30% LiNO3 + 60% KNO3 + 10% Ca(NO3)21,4 1,83
53% KNO3 + 29% LiNO3 + 18% NaNO31,64 1,79
Melting point
TEScapacity
C° kJ/K m3
222 3375,68
117 3990,4
02000400060008000
100001200014000
solar salt 25.92% LiNO3+ 20.01%NaNO3 +
54.07% KNO3
KNO3 + LiNO3+ NaNO3 +
MgK
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO2 + KNO3
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO3
Salts volume (m3)
59%
0
5
10
15
20
25
30
solar salt 25.92% LiNO3+ 20.01%NaNO3 +
54.07% KNO3
KNO3 + LiNO3+ NaNO3 +
MgK
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO2 + KNO3
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO3
Total TES Module cost (MM USD)
32,8%
0,255
0,26
0,265
0,27
0,275
0,28
solar salt 25.92% LiNO3+ 20.01%NaNO3 +
54.07% KNO3
KNO3 + LiNO3+ NaNO3 +
MgK
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO2 + KNO3
LiNO3 +NaNO2 +NaNO3 +
KNO3
LCOE (USD/kWh)
Ventajas de mezclas de sales con litio•Disminución en volumen ≤ 59%•Disminución en inversión de módulo TES ≤ 32,8%•Disminución en LCOE ≤ 4,1%
Litio – Evaluación económica preliminar en CSP (50 MW -7,5 hrs TES – planta comercial Extresol 3 - España)
Fuente: Programa Estratégico Solar (2015) y UAI (2016)
4,1%
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Proyección de la demanda de sales para TES
0
10
20
30
40
2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030
Mill
ion
to
ns
Solar salt Ternary salt Lithium nitrate
Creciente interés por energía solar térmica en
el mundo
Mayor demanda de TES
Demanda de sales solares:
0,9 Millones de ton (Mt). - 2016
34,5 Mt - 2030
Demanda sal ternaria.
0,38 Mt – 2016 (Derivado de litio 0,098 Mt)
14,0 Mt – 2030 (Derivado de litio 3,62 Mt)
Fuente: IEA, 2014
Fuente: UAI, 2016 (Cáceres G., Montané M., Nasirov S., O’Ryan R.)
Proyecciones mundiales
Mercado del litio
14
160
300
900
2.300
3.200
11.500
13.300
160
300
900
2.200
3.800
11.700
13.400
Brazil
Portugal
Zimbabwe
China
Argentina
Chile
Australia
Mine Production (Metric Tons) 2015
Mine Production (Metric Tons) 2014
Producción mundial de Carbonato de litio
(Toneladas métricas)
9.080
7.560
6.560
5.560
5.440
1.720
4.080
Bolivia
Chile
Argentina
United States
China
Australia
Others
Mayores reservas de litio en el mundo
(miles de toneladas)
Participación 2015: Australia 41,28% Chile 36,04% Argentina 11,71%
Mercado del litio
15
0102030405060708090
100
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
South Korea China Japan US Others
-
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
Importaciones de carbonato de litio
(miles de toneladas)
Precio de la tonelada de Carbonato de litio
(USD/ton)
Algunos analistas ya están pronosticando que los precios de litio subirán un 20 % en 2017 debido principalmente a la demanda de autos eléctricos
Efecto de la variación de compuesto de litio en el LCOE de plantas solares
16
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,30
0,31
0,32
0,33
LC
OE
(U
SD
/kW
h)
% variation Lithium Cost
Variation of LCOE with changes in Lithium Costs
for Extresol Plant
Solar salt Lithium-based nitrate
Fuente: UAI 2016
Conclusiones
Litio térmico es una alternativa prometedora para TES en CSP ya que podría disminuir: Riesgos operativos por solidificación
Volúmenes de materiales y sistemas
Costo nivelado de la energía
Exploración y Explotación de litio térmico en Chile: Un nuevo nicho de mercado
Oportunidad de posicionamiento a nivel mundial en materiales TES
Alineado con las políticas de desarrollo energético y minero no metálico de CHILE
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Agradecimientos• Proyecto CONICYT/FONDAP/15110019:
• Solar Energy Research Center
• Proyecto Fondecyt 1151061:
• Encapsulated Nitrates PCM to be used as Thermal Storage and Heat Transfer Materials at High Temperature.
• Programa Ingeniería 2030 – CORFO
• FES - UAI Strategic Plan Implementation New Engineering 2030
• Programa Estratégico Solar
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Materiales Térmicos a base de Litio: Una alternativa prometedora para tecnologías CSP
ATEGIMICH UAI
7 de septiembre de 2016
Seminario Internacional en Tecnologías de Concentración Solar para la Industria
Gustavo CáceresMacarena Montané
Artículos UAI publicados sobre TES, HTF, CSP
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• Review of Thermal Materials for CSP Plants and LCOE Evaluation for Performance Improvement using Chilean Strategic Minerals: Lithium Salts and Copper Foams”. - 2016
• Gustavo Cáceres, Macarena Montané, Shahriyar Nasirov and Raúl O’Ryan
• Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects - 2016• Huili Zhang, Jan Baeyens, Gustavo Cáceres, Jan Degrève, Yongqin Lv
• Thermo-mechanical analysis of copper-encapsulated NaNO3-KNO3 - 2015• Parrado, C., Cáceres, G., Bize, F., Bubnovich, V., Baeyens, J., Degrève, J., Zhang, H.L.
• Latent heat storage with tubular-encapsulated phase change materials (PCMs) - 2014• Zhang, H.L., Baeyens, J., Degrève, J., Cáceres, G., Segal, R., Pitié, F.
• Performance of molten salt solar power towers in Chile - 2013• Cáceres, G., Anrique, N., Girard, A., Degrève, J., Baeyens, J., Zhang, H.L.
• Concentrated solar power plants: review and design methodology – 2013• Zhang, HL., Baeyens, J. Degrève J., Cacères G
• Heat transfer to the riser-wall of a circulating fluidised bed (CFB) - 2013• A. Brems, G. Cáceres, R. Dewil, J. Baeyens, F. Pitié
• Power, placement and LEC evaluation to install CSP plants in northern Chile - 2012• N. Corral, N.Anrique, D.Fernandes, C.Parrado, G.Caceres
• Thermal energy storage: "How previous findings determine current research priorities“ - 2012• Fernandes, D., Pitié, F., Cáceres, G., Baeyens, J.