Defensa Pública de Tesis Doctoral de la ETSi

 

Fecha: viernes, 7 de julio del 2023.

Hora: 10.00 horas

Lugar: Sala Profesor Juan Larrañeta, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla.

El doctorando Andrés Carro Paulete defenderá públicamente su tesis doctoral titulada "Damage and failure mechanisms under fatigue in long fibre composites with ultra-thin plies", la cual ha estado dirigida por los profesores Ricardo Chacartegui Ramírez del Departamento de Ingeniería Energética de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla y Carlos Ortiz Domínguez, del Departamento de Ingeniería de la Universidad Loyola 

Actualmente nos encontramos en una transición del sistema energético mundial, que busca sustituir las fuentes de producción convencionales (gas, petróleo, carbón) por una generación 100% renovable. Apoyado por la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero con el objetivo de mitigar los efectos del cambio climático, el uso predominante de renovables se perfila como factor clave en términos de desarrollo de mercado, independencia energética y sostenibilidad. El recurso renovable tiene una naturaleza estocástica e intermitente, que puede afectar negativamente a la calidad de la energía y a la estabilidad de la red eléctrica. El almacenamiento de energía, que permita vencer el desfase tanto diario como estacional, que existe entre la disponibilidad del recurso renovable y la demanda energética, es el componente necesario para mejorar la flexibilidad del sistema energético basado en generación 100% renovable. El desarrollo de nuevos sistemas de almacenamiento de energía a gran escala de alta eficiencia, de bajo coste, que utilicen materiales baratos y con bajo impacto ambiental, es necesario para poder aprovechar el recurso renovable.

Esta tesis aborda el estudio de diferentes tecnologías de almacenamiento de energía térmica a gran escala, con capacidad de impacto, a diferentes niveles de temperatura y desarrollo; con el objetivo de contribuir en el grado de avance de nuevas soluciones de almacenamiento de energía de alta eficiencia y con un bajo impacto ambiental, que puedan integrarse en grandes plantas de potencia, facilitando la integración de renovables; desde la fase de planteamiento de la idea preliminar, al desarrollo del concepto a nivel de modelos, y con soporte experimental. El estudio se centra en tres prometedoras tecnologías de almacenamiento de energía térmica según el nivel de temperatura. La contribución a la investigación se divide en tres capítulos, cada uno dedicado a cada nivel de temperatura.

El sistema de almacenamiento de energía electrotérmica usando ciclos transcríticos de dióxido de carbono (CO2) como tecnología de almacenamiento de energía térmica de baja temperatura, dentro de los sistemas de energía térmica, se encuentra en un estadio inicial en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se desarrolla la validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a baja temperatura, y como novedad se incorpora un estudio sobre la novedosa integración con el almacenamiento geológico de CO2. El CO2 capturado en una central eléctrica o instalación industrial se utiliza como fluido de trabajo en el ciclo termodinámico propuesto para almacenar energía eléctrica de fuentes renovables en forma de energía térmica y CO2 en formaciones subterráneas, aprovechando las altas presiones que se utilizan en el ciclo transcrítico de CO2, con una eficiencia de ida y vuelta en un rango del 40-50%, dependiendo de las condiciones de operación.

El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el hidróxido de calcio como tecnología de almacenamiento de energía térmica de media temperatura, se encuentra en fase de laboratorio en los niveles de desarrollo de la tecnología. Se trata de un sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en la reacción reversible de deshidratación/hidratación del hidróxido de calcio. Se desarrolla una validación tecno-económica del sistema de almacenamiento de energía a media temperatura con detalle. Como novedad, se discuten los retos tecnológicos del sistema, destacando la importancia de recuperar el calor latente de condensación del vapor generado en la reacción de deshidratación, que representa el 38% de la energía solar térmica que llega al reactor. Se analizan casos extremos en los que se recupera todo el calor latente y en los que este calor se cede al medio ambiente, y se proponen diferentes mecanismos de recuperación, como un ciclo Rankine de amoníaco o el almacenamiento de vapor a presión, mientras se mantiene el carácter independiente de las fases de carga y descarga.

El sistema de almacenamiento de energía termoquímica basado en el calcium looping como tecnología de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura se corresponde con el sistema más desarrollado entre los termoquímicos en los niveles de preparación tecnológica. El análisis tecno-económico realizado sitúa a la tecnología en una posición muy competitiva respecto a otros sistemas de almacenamiento térmico, con una eficiencia de conversión térmica a eléctrica que pueden alcanzar el 48% y un coste nivelado de la electricidad en torno a 100 MWhe. Como novedad, se presenta el diseño, desarrollo y ensayos de la campaña experimental de una planta piloto a escala de kW, la primera de este nivel para la tecnología del Calcium-Looping, de la que el autor fue actor principal. La campaña experimental sitúa a la tecnología en el estadio de desarrollo tecnológico de demostración en un entorno relevante, desarrollando las reacciones de calcinación y carbonatación en pocos segundos en un reactor de flujo arrastrado, en las condiciones de temperatura y presión del sistema de almacenamiento basado en Calcium-Looping, lo que permitiría la integración del sistema de almacenamiento en grandes centrales térmicas.

La estructura de la tesis es la siguiente. En el primer capítulo, dedicado a la introducción, se presentan los antecedentes y oportunidades de investigación detectadas, los objetivos que se establecen en la tesis en función de las oportunidades y se delimita el alcance del estudio, se analiza el estado del arte, se describe la metodología y el plan de investigación en función de los objetivos establecidos, y se muestran los resultados derivados de la tesis y la estructura que sigue el documento. Tras la introducción se exponen las contribuciones a la investigación, mediante, el análisis de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, para alta, media y baja temperatura. Abarca los capítulos 2 (almacenamiento en baja temperatura basado en ciclos de CO2 transcríticos), 3 (almacenamiento en media temperatura mediante la tecnología del hidróxido de calcio) y 4 (almacenamiento en alta temperatura mediante la tecnología del calcium looping). Por último, se dedica un capítulo a la discusión de los resultados, el trabajo futuro y las conclusiones de la investigación. Finalmente, en los anexos se recogen las publicaciones realizadas por el autor durante el desarrollo de esta tesis doctoral.