Resumen de Formulación y caracterización de materiales cerámicos para la generación y el almacenamiento de energía
La presente tesis, se enmarca en la línea de investigación relacionada con la mejora de la eficiencia energética mediante el desarrollo de dos tecnologías que utilizan materiales cerámicos como componentes principales de las mismas: las pilas de combustible de óxido sólido, (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) y el almacenamiento de energía térmica en sensible (STES).
En la primera parte, se han fabricado y caracterizado eléctricamente SOFCs soportadas sobre el ánodo, de geometría tubular, basadas en electrolitos de óxido de cerio dopado con samario. Se han sintetizado todos los materiales para la posterior fabricación de las celdas mediante la combustión de geles de poliacrilamida. El conformado de los soportes tubulares se ha realizado mediante una técnica novedosa que combina la extrusión y el moldeo a partir de geles de agarosa. La composición óptima de las pastas a conformar constan de una relación carga sólida/agua entre 22-30 % en peso, y agarosa/agua entre 0,5-2,0 % en peso. El resto de componentes de la celda, se depositaron mediante el método de pulverización de suspensiones basadas en tintas de terpineol.
La mejora de las celdas tubulares se realizó mediante la optimización de los parámetros de las pastas de extrusión, la adición de capas de composición intermedia entre el ánodo y el electrolito y la miniaturización de las mismas. Para ajustar la diferencia de contracción entre los soportes tubulares y el electrolito, éstos se sometieron a un tratamiento térmico de presinterización de una hora a 1315ºC. Consiguiendo monoceldas tubulares de 2,5 mm de diámetro exterior compuestas por un ánodo de 370 ¿m de espesor, capas graduales de 10-20 ¿m, electrolito de 15 ¿m y cátodo de 20 ¿m.
La caracterización eléctrica de las celdas tubulares ha presentado unos valores de resistencia óhmica y polarización catódica ligeramente más elevados de lo habitual, y densidades de potencia de hasta 300 mW/cm2. A pesar del menor rendimiento de las celdas respecto a otros dispositivos de similar configuración y materiales, se ha demostrado que las técnicas utilizadas para su fabricación son prometedoras desde el punto de vista de simplicidad, versatilidad y escalabilidad.
En la segunda parte, se han caracterizado varios subproductos (Slag B, Slag P, IB, WRutF, WDF) provenientes de diversas industrias minero-metalúrgicas de Cataluña, para su posible implementación como materiales para STES. Los materiales más idóneos son aquellos que presentan elevadas densidades de energía, adecuada conductividad térmica y bajo coste. Posteriormente, mediante el programa CES selector software, se procedió a una selección de materiales para STES en dos aplicaciones diferentes, almacenamiento a corto y a largo plazo. Se utilizó como base de materiales la del programa y además, se incluyó dentro de la misma los subproductos caracterizados y otros materiales reportados en la literatura. Así, a largo plazo, los materiales que mejor propiedades han presentado son WDF, Cofalite, IB y WRutF, y a corto plazo, WDF, el mineral Halita, el cemento, WRutF, Cofalite e IB, en orden decreciente de selección.
A continuación, se ha revalorizado el subproducto Slag B, mediante la optimización de una formulación cemento Portland-Slag B utilizando el diseño de experimentos (DoE). La composición óptima es aquella con un contenido de Slag B del 77% y una relación agua/cemento del 0,57, la cual proporciona una elevada densidad de energía a su vez que unas propiedades mecánicas suficientes.
Finalmente, se estudió la compatibilidad química de los diferentes subproductos caracterizados y de sales fundidas (NaNO3/KNO3 60:40% en peso), comúnmente utilizadas en aplicaciones STES, con el acero AISI316, el cual puede ser potencialmente usado como material contenedor. Los materiales Slag B, Slag P y WRutF muestran una menor reactividad en comparación con los obtenidos con sales fundidas.
