Estudio de desechos industriales usados como materiales de almacenamiento de energía termoquímica

Abstract

Los sistemas de almacenamiento de energía termoquímica presentan la ventaja de usar materiales que almacenan una alta densidad energética por un tiempo ilimitado, características importantes para ser aprovechadas para aplicaciones de almacenamiento de calor estacional utilizando sales hidratadas. Estos materiales son capaces de almacenar calor durante época de verano mediante una reacción endotérmica de deshidratación para después liberarlo en época de invierno, mediante una reacción exotérmica de la hidratación de las sales. En este proyecto de tesis se estudiaron tres sales hidratadas como potenciales materiales de almacenamiento estacional; bischofita y carnalita de potasio (carnalita A) disponibles como desechos industriales del Salar de Atacama en la zona norte de Chile, y una sal natural de carnalita de potasio (carnalita B) proveniente de yacimientos salinos potásicos del sur-este de España. El objetivo consistió en establecer las condiciones óptimas de un sistema de almacenamiento termoquímico de calor usando estos materiales, para ser aplicadas en sistemas de calefacción solar estacional. De los resultados, la caracterización química de los materiales indicó que bischofita presentó un 97.4% de material activo de MgCl2∙6 H2O y las carnalitas A y B presentaron un 73.54% y 87.82% de material activo de KCl·MgCl2∙6 H2O, respectivamente. De las impurezas, se identificó a NaCl como la principal impureza mezclada con los materiales de carnalita, el cual se encontró en mayor concentración en carnalita A con un 23.04%. El estudio de reversibilidad de la reacción de deshidratación e hidratación de bischofita a escala de laboratorio y a escala media, determinó una una baja reversibilidad de 34.7%. Este resultado, junto con problemas de aglomeración que presentaron las partículas, producto de la coalescencia del material a condiciones estacionales, impidió la absorción de vapor de agua durante la rehidratación. Por consiguiente, se dificultó el uso de bischofita para aplicaciones de almacenamiento de calor estacional. Respecto al estudio de la reversibilidad de la reacción usando carnalita A, se demostró una baja estabilidad cíclica bajo condiciones de PHy=25kPa y temperaturas de 100°C y 150°C, debido a la descomposición de carnalita A por reacción de hidrólisis. Debido a esto, se optimizaron condiciones de presión y temperatura a condiciones de verano (deshidratación) e inverno (hidratación) (PHy =1.3 kPa y THy=40°C, y PDe =4.0 kPa y TDe =110°C), logrando mejorar la reversibilidad de la reacción para

10 ciclos (10 años de aplicación) con sólo un 8.5% de pérdida de reversibilidad. Estas condiciones optimizadas fueron también reproducidas en el material de carnalita B, mostrando una reversibilidad menor en un 14 % comparada con carnalita A. Los resultados a escala media (en reactor) permitió corroborar los estudios realizado a escala de laboratorio para carnalita A y B y determinar un efecto positivo del NaCl sobre las partículas de carnalita A. De acuerdo a esto, NaCl favorecería el crecimiento de las partículas durante la reacción de hidratación, disminuyendo la probabilidad de aglomeración de estas y obteniendo una mejor reversibilidad de la reacción. Finalmente, se destacó a carnalita A como el mejor material de desecho que presentó valores comparables y competitivos con materiales reportados como promisorios para aplicaciones de almacenamiento de calor estacional, calculando una densidad de energía de 1.129 GJ/m3 durante el décimo ciclo de hidratación y un volumen de material termoquímico de 7.1 m3, necesario para abastecer de las necesidades de energía a un hogar durante época de invierno.

Thermochemical energy storage systems have the advantage of using materials that store a high energy density with low energy losses over time compared to sensible and latent energy storage. These are important characteristics to be exploited in seasonal heat storage applications. In this work three hydrated salts were studied as potential seasonal storage materials; bischofite, carnallite A and carnallite B. The first two materials are industrial waste taken from Salar de Atacama in northern Chile, and the last one is a natural salt taken from potassium saline deposits in the south- east of Spain. The chemical characterization indicated; bischofite presents 97.4% of MgCl2∙6 H2O as active material, and carnallite A and B present 73.54% and 87.82% of KCl·MgCl2∙6 H2O, respectively. Moreover, carnallite materials were mixed with NaCl as the main impurity. Concerning the thermal study of the dehydration and hydration reaction, bischofite showed a low reversibility of 34.7% and agglomerated and hardness particles, due to its high liquidness, that was evolving into a difficult application. Regarding the material of carnallite A, a low cyclic stability was showed under conditions of PHy= 25 kPa and 100 °C and 150 °C, because a decomposition of carnallite A was identified. This problem was solved through the improvement of seasonal conditions (PHy= 1.3 kPa, THy= 40 °C, PDe= 4.0 kPa and TDe= 110 °C) to obtain a good reversibility of the reaction for 10 cycles (10 years of application). However, these optimized conditions reproduced using carnallite B, showed a 14% lower reversibility than carnallite A. This reversibility difference could be explained due to a higher percentage of NaCl present in carnallite A, which contributes as an additive material capable of decreasing the agglomeration of the particles. Along with this, a high energy density of 1,129 GJ/m3 during the tenth hydration cycle was measured to supply the energy needs of a home during winter time. All of these results highlight carnallite A as a potential material waste for seasonal heat storage applications.