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

5

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%

13

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

17

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

18

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

20

• 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.