Presentación USE en la CIES 2018, con el proyecto SOCRATCES

1. This Project has received funding from European Commission
by means of Horizon 2020,the EU Framework Programme for
Research & Innovation, under Grant Agreement no.727348. 1
ALMACENAMIENTO TERMOQUÍMICO
EN PLANTAS CSP BASADO EN
CALCIUM-LOOPING
Retos y oportunidades
Ortiz C., Fernández R., Chacartegui R., Valverde J.M., Becerra J.A.

2. Introducción – Marco actual tecnología CSP
2
• CSP instalada en el mundo ~ 5 GWe
• $↓ Reducción de costes de 1/3 en los últimos 10 años
• Amplio potencial de evolución tecnológica
INVESTIGACIÓN
Renewable Power Generation
Costs in 2017 (IRENA 2017)
Technology Roadmap Solar Thermal Electricity (IEA 2014)
Escenario de crecimiento IEA
260 GWe en 2030
980 GWe en 2050

3. Introducción
3
Líneas prioritarias de investigación
➢ Reducción del coste de la electricidad generada (menores costes y/o mayor eficiencia)
➢ Mejorar la sostenibilidad medioambiental
➢ Mayor gestionabilidad
• Actualmente, sobre el 40% de las plantas CSP cuentan con
almacenamiento
• Entre las plantas planeadas y en desarrollo, aproximadamente el
80% incorporan almacenamiento
• En su mayoría, sistemas basados en almacenamiento sensible de
energía a partir de sales fundidas
Solar Thermal Electricity Strategic research agenda 2020-2025 (ESTELA, 2012)

4. Almacenamiento termoquímico de energía mediante Calcium-Looping (CaL)
4
Group Example
Hydrogen systems
𝑀𝐻 𝑛 + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑀 +
𝑛
2
𝐻2
𝑀𝑔𝐻2 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑀𝑔(𝑠) + 𝐻2 (𝑔)
Carbonate systems
𝑀𝐶𝑂3 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑀𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔)
𝐶𝑎𝐶𝑂3 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔)
𝑆𝑟𝐶𝑂3 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑆𝑟𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔)
Hydroxide systems
𝑀 𝑂𝐻 2 𝑠 + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑀𝑂(𝑠) + 𝐻2 𝑂(𝑔)
𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 𝑠 + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑀𝑔𝑂(𝑠) + 𝐻2 𝑂(𝑔)
𝐶𝑎 𝑂𝐻 2 𝑠 + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐻2 𝑂(𝑔)
Redox systems
𝑀 𝑥 𝑂 𝑦 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑥𝑀(𝑠) +
𝑦
2
𝑂2 (𝑔)
2𝐵𝑎𝑂2 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 2𝐵𝑎𝑂(𝑠) + 𝑂2 (𝑔)
2𝐶𝑜3 𝑂4 (𝑠) + ∆𝐻𝑟 ↔ 6𝐶𝑜𝑂(𝑠) + 𝑂2 (𝑔)
Ammonia systems 2𝑁𝐻3 (𝑔) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑁2 (𝑔) + 3𝐻2 (𝑔)
Organic systems 𝐶𝐻4(𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑙) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝐶𝑂(𝑔) + 3𝐻2 (𝑔)
With a side reaction:
𝐶𝑂(𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑙) ↔ 𝐶𝑂2 (𝑔) + 𝐻2 (𝑔) + ∆𝐻𝑟
𝐶𝐻4(𝑔) + 𝐶𝑂2 (𝑔) + ∆𝐻𝑟 ↔ 2𝐶𝑂(𝑔) + 2𝐻2 (𝑔)
With a side reaction:
𝐶𝑂2(𝑔) + 𝐻2(𝑔) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝐶𝑂(𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑔)
Sulfur systems
𝐻2 𝑆𝑂4(𝑔) + ∆𝐻𝑟 ↔ 𝑆𝑂2(𝑔) + 𝐻2 𝑂(𝑔) +
1
2
𝑂2 (𝑔)
𝐶𝑎𝐶𝑂3 (𝑠) ⟶ 𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔)
∆𝐻𝑟=+178 kJ/mol
𝐶𝑎𝑂(𝑠) + 𝐶𝑂2 (𝑔) ⟶ 𝐶𝑎𝐶𝑂3 (𝑠)
∆𝐻𝑟=-178 kJ/mol
calcinación
carbonatación
Calcium-Looping (CaL)

5. El sistema CSP-CaL
5
Carga de energía Almacenamiento Descarga/producción

6. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
6
Kuravi et al. (2013)
NH3/N2
CH4/H2O
SO3/SO2
CaO/H2O
Li2/H2O
NH4HSO4/NH3
CaO/CO2
SrO/CO2
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
100 300 500 700 900 1100 1300
Volumentricenergydensity(MJ/m3)
Turning temperature (°C)
1. Alta densidad energética de almacenamiento

7. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
7
Almacenar sólidos:
¿a alta o baja temperatura?
2. Sin límite de temperatura mínima de almacenamiento
✓ Minimización de pérdidas térmicas
✓ Reduce consumo de sistemas auxiliares
✓ Posibilidad de almacenamiento a largo plazo
✓ Aumenta el factor de capacidad de la planta
Almacenamiento CO2:
Posibilidad de almacenar en fase supercrítica
Sales fundidas → T min de almacenamiento ~200ºC

8. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
8
3. Materiales naturales → caliza, dolomita, etc.
Condiciones necesarias para la expansión a gran
escala de cualquier tipo de energía renovable
Materiales baratos
Ampliamente disponible en todo el mundo
Inofensivos respecto al medioambiente

9. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
9
4. Alta temperatura de reacción exotérmica
✓ Producción de energía a una temperatura de entre 650-1000ºC en función de la presión parcial de CO2
✓ Ventaja respecto a sistemas basados en sales fundidas →T máx ~550-600°C debido a la degradación de las sales
✓ Integración de ciclos de potencia más eficientes
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
400 600 800 1000
Reactionrate(1/s)
T ºC
P=3atm
P=2atm
P=1atm

10. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
10
Solids (CaCO3 /CaO)
CaO
CO2
g4
CaO
storage
CaCO3/CaO
storage
HE4
g5
s1
c1
g6
M-TURB
g7
g8
g3
HE5
g9
HE3
g2
CO2
storage
HE1
HE2
g1
I-TURB
COMP
g10
CARBONATOR
Solids (CaCO3 /CaO)
CaO
CO2
CaO
storage
CaCO3/CaO
storage
s1
c1
g4
g3
g2
CO2
storage
HE1
HE2
g1
I-TURB
CARBONATOR
To storage
Power
block
carbonationheat
Directa (Brayton CO2 regenerativo)
Indirecta
5. Integración directa o indirecta de ciclos de potencia
✓ Flexibilidad para el diseño
✓ Punto de partida: Alta temperatura de reacción

11. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
11
6. Materiales y equipos desarrollados a escala industrial
- Cercanía con la industria del cemento
-Calcinador (receptor solar de partículas)
-Reactor de carbonatación de lecho fluidizado
-Ciclo CO2 Brayton cerrado
-Trasporte de sólidos a altas temperaturas
-Ciclones
-Silos de almacenamiento
Arias et al. (2013)
BAT for cement industry (2013)

12. Retos
12
1. Calcinador solar (receptor de partículas)
i) suficiente tiempo de residencia de las partículas en el reactor para completar la reacción
ii) adecuado tamaño de partículas para permitir la correcta circulación de estas
iii) el sistema debe ser cerrado para evitar pérdidas de CO2
iv) deben evitarse gradientes térmicos provocados por la diferente exposición de partículas a la radiación solar
v) la operación en continuo es preferible de cara al escalado del sistema.
La reacción de calcinación llevada a cabo con alta presión parcial de CO2 solo ocurre rápido para
temperaturas del orden de 930-950ºC. Reto tecnológico: calcinar a más 900ºC con energía solar
RECEPTORES SOLARES DE
PARTÍCULAS A ALTA TEMPERATURA

13. El sistema CSP-CaL - Ventajas y oportunidades
13
Calcinación en vapor de agua sobrecalentado Calcinación en Helio Calcinación en vacío
• Técnica a escala
comercial
• Similitud entre
calcinador-torre CSP
• Separación por
condensación
(IMPORTANTE
PÉRDIDA DE
RENDIMIENTO)
➢ Desgaste/rotura de
partículas
• Menor pérdida de actividad con el
número de ciclos
• Separación por membranas/pressure
swing adsortion
0
100
200
300
400
500
600
700
0 100 200 300
T(ºC)
Q (MW)
Alternativas para reducir la temperatura

14. Retos
14
2. Conversión multicíclica del CaO
𝑪𝒂𝑶 𝒔 + 𝑪𝑶 𝟐 → 𝑪𝒂𝑪𝑶 𝟑 𝒔 ∆𝑯 𝒓
𝟎
= −𝟏𝟕𝟗, 𝟐
𝒌𝑱
𝒎𝒐𝒍
𝑪𝑶 𝟐 𝒄𝒂𝒑𝒕𝒖𝒓𝒆𝒅 = 𝑪𝒂𝑪𝑶 𝟑 𝒇𝒐𝒓𝒎𝒆𝒅 = 𝑪𝒂𝑶 · 𝑿
𝟏 − 𝑿 = 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐𝒔 𝒊𝒏𝒆𝒓𝒕𝒆𝒔 Mayor penalización energética
𝑿 =
𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝑶 𝒓𝒆𝒂𝒄𝒕𝒆𝒅
𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝑶 𝒊𝒏
=
𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝑪𝑶 𝟑 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒆𝒅
𝒎𝒐𝒍 𝑪𝒂𝑶 𝒊𝒏
Desactivación con el número de ciclos
La desactivación del sorbente condiciona la operación de la planta
Desactivación del material es altamente dependiente
de las condiciones de diseño de los reactores, del
material y de su tamaño de partículas

15. El proyecto SOCRATCES
15
Almacenamiento termoquímico de energía
Proyectos de investigación en curso
o recientemente acabados
Carbon Dioxide Shuttling Thermochemical
Storage Using Strontium (ELEMENTS; DOE)
Regenerative Carbonate-Based Thermochemical
Energy Storage System for Concentrating Solar
Power (ELEMENTS; DOE)
Demonstration of High-Temperature Calcium-Based
Thermochemical Storage System for use with
Concentrating Solar Power Facilities (APOLLO;
DOE)
CSP2: Concentrated solar power in particles
(H2020)
Calcinación con energía solar
Receptores solares de alta temperatura
TCSPower: Thermochemical Energy Storage
for CSP Plants (H2020)
SOLPART: High temperature Solar-Heated Reactors
for Industrials Production of Reactive Particulates
(H2020)
NEXT-CSP: High Temperature concentrated solar
thermal power plant with particle receiver and direct
thermal storage (H2020)
SOCRATCES: Solar calcium-looping integration for
thermo-chemical energy storage (H2020)

16. El proyecto SOCRATCES
16
New
materials
Reactions
(Ch/Ph)
Power
Systems
technologies
Systems
integration
& control
Systems
development
R & D
Engineering
Construction
Scaling-Up
Assessment

17. Conclusiones
17
• Mayor densidad energética de almacenamiento. Capacidad de almacenamiento estacional.
• Precursor (caliza o dolomita fundamentalmente) abundante en casi todo el planeta, no corrosivo, no tóxico y
barato.
• El mayor reto está ligado a realizar la calcinación a alta temperatura de manera eficiente a escala comercial
• Salvo el calcinador solar, los demás equipos del Sistema CSP-CaL se encuentran en escala industrial,
principalmente en la industria del cemento. Innovaciones en equipos se traducirán en mejores rendimientos.
• Pérdida de reactividad del CaO con el número de ciclos
• El sistema CSP-CaL permite usar ciclos de potencia más eficientes.
• Importante numero de proyectos de investigación en los últimos años
➢ Menores costes y/o mayor eficiencia)
➢ Mejorar la sostenibilidad medioambiental
➢ Mayor gestionabilidad

18. Agradecimientos
18
This Project has received funding from European Commission
by means of Horizon 2020,the EU Framework Programme for
Research & Innovation, under Grant Agreement no.727348.
Almacenamiento Termoquímico Hibrido de Energía Solar Concentrada
(CTQ2014-52763-C2-2-R)
SOLARTEQH PROJECT

19. ¿Preguntas?
Energy input Energy storage Energy release
GRACIAS POR SU ATENCIÓN

21. Retos
21
Retos de diseño
Pérdidas térmicas (radiación)
¿Irradiación directa o indirecta de partículas?
CaCO3 presenta una baja absortividad

22. Retos
22
Calcinación solar: prototipos y resultados
Receptor de partículas en caída
Ho et al. (2013)
• Prototipo a escala de MW
• Resultados→DT=300ºC con 80W/cm2
• Alta eficiencia térmica (>50%)
• Sin experimentación con CaCO3
• Rotura/desgaste de partículas
• Necesidad de incrementar el tiempo de residencia

23. Retos
23
Calcinación solar: prototipos y resultados
Receptor centrífugo
• Tecnología muy desarrollada en cementeras
• Tiempo de residencia ajustable
• Buenos coeficientes de transferencia
• Limitaciones geométrica para la integración
• Amplia experimentación con CaCO3
Flammant et al. (1980)
Meier et al. (2004)
Meier et al. (2006).
2 kWt solar furnace reactor that presented a
total absorptance about 0.9-1
- High relevance of radiative properties of
the solar reactor.
- A thermal efficiency of 0.1-0.3 was
achieved
- maximum calcination degree of 0.6
- The residence time is only dependent on
the rotation speed
- maximum particles outlet temperature
reached 1500ºC.
10 kWt solar rotary kiln reactor
A thermal efficiency of 0.2 was achieved
- Residence time 3-7 min
- Calcination temperature 1050-1150ºC
- maximum calcination degree >95%
indirect heating 10 kWt multi-tube rotary kiln
A thermal efficiency of 0.3-0.35 was achieved
- maximum calcination degree >98%
- particles outlet temperature reached 1122ºC.

24. Retos
24
Calcinación solar: prototipos y resultados
Receptor de lecho fluidizado
• Alta inercia térmica
• Reducción gradientes térmicos
• Buenos coeficientes de transferencia
• Limitaciones geométrica para la integración
• Integración tecnología beam-down
• Experimentación con CaCO3
Flammant et al. (1980) Chirone et al. (2013)