Residuos de la industria metalúrgica: un material sostenible para el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura

El ambicioso objetivo de costo SunShot del DOE (0,06 dólares/kWh) para la energía solar concentrada (CSP) requiere conceptos innovadores en los subsistemas de colector, receptor y ciclo de potencia, así como en el almacenamiento de energía térmica (TES).

Para el TES, un enfoque innovador consiste en reciclar residuos de la industria metalúrgica, denominados escorias, como material de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura y bajo costo. Las escorias son todos los componentes no metálicos del hierro fundido que ascienden naturalmente por menor densidad en la superficie de la fusión en el horno. Una vez enfriadas, se pueden obtener cerámicas compuestas principalmente de óxidos de calcio, silicio, hierro y aluminio. Estas cerámicas están ampliamente disponibles en EE. UU., en aproximadamente 120 plantas en 32 estados, y se venden a un precio promedio muy bajo de 5,37 dólares/tonelada. La producción estadounidense de escoria de hierro y acero se estimó en 19,7 millones de toneladas en 2003, lo que garantiza una gran disponibilidad de material.

En este artículo, se caracterizaron escorias de horno de arco eléctrico (EAF) de la industria siderúrgica, también denominadas «escorias negras», en el rango de temperaturas de la energía solar concentrada. La materia prima es termoquímicamente estable hasta 1100 °C y presenta un bajo coste por unidad de energía térmica almacenada (0,21 $/kWht para ΔT = 100 °C) y una capacidad térmica adecuada por unidad de volumen de material (63 kWht/m³ para ΔT = 100 °C). Estas propiedades deberían permitir el desarrollo de nuevos sistemas TES que permitan alcanzar los objetivos de TES del proyecto SunShot (temperatura superior a 600 °C, coste de instalación inferior a 15 $/kWht y capacidad térmica ≥25 kWht/m³). Los resultados experimentales detallados se presentan en el artículo.

Tras su caracterización, el material se moldeó en placas y se sometió a un ciclo térmico en un sistema TES utilizando aire caliente como fluido caloportador. Se realizaron con éxito varios ciclos de carga y descarga, y el concepto se validó a escala de laboratorio. Además de su disponibilidad, bajo costo y prometedoras propiedades térmicas, el uso de escoria promueve la conservación de los recursos naturales y constituye una solución ideal para reducir costos y desarrollar sistemas TES sostenibles.