Investigadores de Sandia National Laboratories han utilizado recientemente globos atados de 22 pies de ancho para recolectar muestras de partículas de polvo en el aire para garantizar la seguridad de una tecnología emergente de energía solar. El estudio ha determinado que el polvo creado por la nueva tecnología está muy por debajo de los niveles peligrosos, dijo Cliff Ho, investigador principal del proyecto. El equipo de Ho acaba de recibir 25 millones de dólares del Departamento de Energía  para construir una planta piloto  que incorporará esta tecnología.

Esta tecnología de energía renovable de próxima generación se denomina receptor de partículas descendentes de alta temperatura para concentrar la energía solar. La concentración de energía solar, aunque no es tan común como los paneles solares o las turbinas eólicas, tiene varias ventajas sobre esas fuentes de energía renovable, incluida la capacidad de almacenar energía en forma de calor antes de convertirla en electricidad para la red eléctrica.

Una planta de energía solar de concentración  en Arizona  usa sal fundida para almacenar este calor durante seis horas, mientras que otras plantas, en teoría, podrían almacenar calor durante días o semanas, dijo Ho, experto en energía solar de concentración de Sandia. Esto ayudaría a las compañías eléctricas a equilibrar la variación diaria y estacional de la energía producida por paneles solares y turbinas eólicas.

El  receptor de partículas que caen  funciona dejando caer partículas cerámicas oscuras, similares a la arena, a través de un rayo de luz solar concentrada, y luego almacena las partículas calientes. Estas partículas redondas cuestan alrededor de 1 dólar por 2.2 libras y pueden calentarse mucho más que los sistemas convencionales de energía solar de concentración a base de sales fundidas, lo que aumenta la eficiencia y reduce los costos.

El equipo de Sandia también evaluó otras partículas como la arena, que cuesta solo unos centavos por libra, pero determinaron que debido a la capacidad de las partículas de cerámica para absorber más energía solar y proporcionar un flujo más suave, las partículas de cerámica eran la mejor manera de hacerlo. El  objetivo del Departamento de Energía es reducir el costo de la electricidad de la concentración de energía solar a cinco centavos por kilovatio hora, comparable a la energía convencional basada en combustibles fósiles.

Sin embargo, las partículas reutilizadas pueden eventualmente descomponerse en polvo fino. La Agencia de Protección Ambiental y la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional regulan las partículas de polvo diminutas, más finas que el talco, que se sabe que representan un riesgo de daño pulmonar.

“La motivación para realizar el muestreo de partículas fue asegurarse de que esta nueva tecnología para energía renovable no creara ningún problema ambiental o de seguridad para los trabajadores”, dijo Ho. “Hay partículas que se emiten desde el receptor de partículas que caen, pero las cantidades están muy por debajo de los estándares establecidos por la EPA y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional”.

Usar globos atados para atrapar el polvo

El otoño pasado, el equipo de investigación utilizó sensores ubicados a unos pocos metros del receptor de partículas que caen en la plataforma de la torre solar, o  la Instalación Nacional de Prueba Térmica Solar , y sensores que cuelgan de globos de helio atados de 22 pies de ancho  para medir. las partículas que se liberaron mientras operaba a temperaturas superiores a 1.300 grados Fahrenheit.

Dari Dexheimer, experta de Sandia y su equipo desplegaron un globo a barlovento de la torre solar y dos globos a favor del viento para detectar partículas de polvo lejos del receptor. Un globo a favor del viento estaba a poco más de un campo de fútbol y el otro estaba a más de dos campos de fútbol. Los globos a favor del viento flotaban a unos 22 pisos de altura, un poco más altos que la propia torre solar, y el globo a favor del viento, algo más bajo.

Los globos y sus ataduras estaban equipados con una variedad de sensores para contar la cantidad de partículas de polvo en el aire a su alrededor, así como su altitud y ubicación precisa. Los globos amarrados permanecieron a su altitud especificada durante tres horas, lo que permitió al equipo recopilar una gran cantidad de datos. También operaron un pequeño globo a control remoto que era mucho más móvil en términos de altitud y posición, dijo Dexheimer.

“Eso nos permitió recopilar datos cada segundo durante tres horas en toda el área”, dijo Dexheimer, quien generalmente vuela globos atados sobre el norte de Alaska para recopilar datos para el monitoreo y modelado del clima ártico. “Como obtuvimos los datos en tiempo real, pudimos mover los globos atados para medir en la región de mayor intensidad de la columna, identificar dónde estaban los bordes de la columna o rastrear todo el movimiento de la columna con el tiempo”.

El equipo también colocó una variedad de sensores en la plataforma de la torre solar, a pocos metros del receptor de partículas que caen. Estos sensores podrían contar la cantidad de partículas de polvo y determinar su tamaño y características.

Andrés Sánchez, un experto de Sandia en la medición de partículas finas suspendidas en el aire, dirigió estas pruebas y otras similares hace dos años, junto con su colega Andrew Glen.

Para las pruebas más recientes, los investigadores construyeron colectores de cubos basculantes especiales en forma de balancín para medir tanto la cantidad de partículas como sus tamaños. Algo parecido a un  pluviómetro de cubeta basculante , las partículas en el aire bajarían por un embudo y aterrizarían en la plataforma en forma de balancín. Una vez que se acumulaba un cierto peso de partículas de polvo en la plataforma, se volcaba y enviaba una señal eléctrica a los investigadores. El número de señales de vuelco en una cierta cantidad de tiempo les dijo a los investigadores la frecuencia de los eventos de emisión de partículas y, después de la prueba, pudieron pesar las partículas en el fondo de los cubos para determinar la cantidad recolectada.

Modelado informático y mitigación del polvo

Al comparar los resultados de los sensores cercanos al receptor de partículas que caen y los más alejados en los globos, encontraron que la concentración de partículas diminutas, más finas que el talco, era mucho más baja que los límites de la EPA.

Descubrieron que la concentración de partículas de polvo dependía de las condiciones climáticas predominantes. Detectaron partículas de polvo más lejos de la torre solar en días ventosos y concentraciones más altas de partículas de polvo cerca de la torre solar en días tranquilos, dijo Sánchez. Ho agregó que cuando el viento soplaba hacia el receptor desde el norte o el noroeste, eso producía la mayor cantidad de partículas de polvo.

“Hicimos algunos modelos informáticos utilizando el modelo de dispersión de partículas de la  EPA “, dijo Ho. “Básicamente, se necesitaría una emisión de partículas 400 veces mayor que la que encontramos en pruebas anteriores para comenzar a acercarnos a los estándares de la EPA. Según nuestras mediciones y modelos, no preveo ninguna condición en la que realmente estemos alcanzando esos umbrales “.

A partir de las pruebas y las simulaciones de modelado por computadora, el equipo pudo desarrollar varios métodos diferentes para reducir la emisión de partículas finas de polvo. Primero, optimizaron la forma y la geometría del receptor de partículas que caen para reducir la pérdida de partículas, dijo Ho. Desarrollaron un sistema en forma de escalera que ralentiza las partículas en el receptor a medida que caen y un “hocico” que ayuda a mitigar los impactos del viento sobre las partículas que caen.

También exploraron y finalmente descartaron otras dos ideas. Una era tener una ventana sobre las partículas que caían, porque se calentaría demasiado debido a la luz solar concentrada y no sería fácil escalar a grandes tamaños. La otra era proteger las partículas con una cortina de aire, como las que se usan en las entradas de las tiendas para mantener el aire caliente o frío dentro de la tienda.

Ho y su equipo acaban de recibir fondos para construir una planta piloto receptora de partículas en caída que incorporará las mejoras desarrolladas a partir de estas pruebas.

“Normalmente me concentro en las mediciones atmosféricas y en el modelado de cómo respondería la atmósfera si las emisiones de dióxido de carbono se reducen en una cantidad particular”, dijo Dexheimer. “Con este trabajo pude participar en la reducción activa de esas emisiones. Creo que todos hemos disfrutado mucho viendo la otra cara de la moneda, descubriendo cómo hacer que la energía renovable sea más eficiente y más factible “.

Las pruebas de globos fueron financiadas por la Oficina de Tecnologías de Energía Solar del DOE   como uno de los tres equipos que prueban diferentes sistemas de energía solar de concentración de alta temperatura con almacenamiento de calor incorporado.

Sandia National Laboratories es un laboratorio mulfuncional operado por National Technology and Engineering Solutions de Sandia LLC, una subsidiaria propiedad de Honeywell International Inc., para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE UU. Sandia Labs tiene importantes responsabilidades de investigación y desarrollo en disuasión nuclear, seguridad global, defensa, tecnologías energéticas y competitividad económica, con instalaciones principales en Albuquerque, Nuevo México y Livermore, California.