Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Almacenamiento termoquímico de energía en pellets de Ca(OH)2/Al2O3 mesoestructurada para su aplicación en centrales CSP
Autor
CASTRO YÁÑEZ, DAVID
Director
SANZ PÉREZ, ELOY SANTIAGO
Codirector
ESCOLA SÁEZ, JOSÉ MARÍA
Fecha de depósito
23-06-2026
Periodo de exposición pública
24 de junio a 7 de julio de 2026
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
No
Resumen
El presente trabajo de investigación, que ha culminado en la elaboración de esta Tesis Doctoral, se enmarca dentro de la línea de investigación en tecnologías energéticas sostenibles desarrollada por el Grupo de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad Rey Juan Carlos. Este grupo centra sus esfuerzos en el desarrollo de soluciones innovadoras que contribuyan a la transición energética hacia un modelo más sostenible, eficiente y respetuoso con el medio ambiente. En este contexto, la investigación llevada a cabo se focaliza específicamente en la síntesis de pellets basados en óxido de calcio %28CaO%29 y alúmina %28Al₂O₃%29 con estructura mesoporosa, así como en el análisis de su comportamiento en sistemas de almacenamiento termoquímico de energía. La finalidad última de este estudio es evaluar la viabilidad de estos materiales en su aplicación en plantas de energía solar de concentración %28CSP, por sus siglas en inglés%29.
La ejecución de este trabajo ha sido posible gracias a la financiación recibida de diversos proyectos de investigación, entre los que destacan los proyectos ACES2030-CM y ACES4NET0-CM de la Comunidad de Madrid, orientados a impulsar el uso de la energía solar térmica de concentración tanto en el sector del transporte como en la generación de calor y electricidad. Asimismo, han contribuido al desarrollo de esta tesis el proyecto FAUPORES, centrado en el diseño de catalizadores zeolíticos de porosidad jerarquizada, y el proyecto sinérgico M3263 del Instituto de Investigación de Tecnologías para la Sostenibilidad %28ITPS%29, enfocado en la fabricación y caracterización de materiales para aplicaciones en energía solar.
En las últimas décadas, la demanda energética a escala global ha experimentado un crecimiento exponencial, impulsado principalmente por el aumento de la población mundial y el desarrollo industrial. Este incremento de la demanda ha sido cubierto mayoritariamente mediante el uso de combustibles fósiles, lo que ha generado importantes consecuencias tanto a nivel ambiental como económico. Por un lado, la combustión de estos recursos ha dado lugar a la emisión masiva de gases de efecto invernadero, especialmente dióxido de carbono %28CO₂%29, principal responsable del calentamiento global, la pérdida de biodiversidad y diversos problemas para la salud humana. Por otro lado, la dependencia de recursos limitados y concentrados geográficamente ha generado vulnerabilidades asociadas a conflictos geopolíticos y fluctuaciones en los precios de la energía.
Ante esta situación, la comunidad internacional ha desarrollado iniciativas y acuerdos globales orientados a mitigar el cambio climático y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Entre ellos destacan el Acuerdo de París de 2015, la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible y el Pacto Verde Europeo, que establecen como objetivo alcanzar la neutralidad climática en torno al año 2050. En línea con estas políticas, España ha puesto en marcha el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima %28PNIEC%29 y la Ley de Cambio Climático, que incluyen metas ambiciosas como lograr que un 46 % del consumo final de energía provenga de fuentes renovables y alcanzar una capacidad instalada de 22 GW en sistemas de almacenamiento energético para el año 2030.
Dentro de las energías renovables, la energía solar de concentración %28CSP%29 destaca por su elevada versatilidad y su capacidad para integrar sistemas de almacenamiento térmico eficientes. A diferencia de otras tecnologías renovables como la energía fotovoltaica o la eólica, cuya producción depende directamente de las condiciones ambientales instantáneas, las plantas CSP permiten almacenar la energía captada durante las horas de mayor irradiación solar y utilizarla posteriormente, lo que facilita la gestión de la oferta energética y mejora la estabilidad de la red eléctrica.
Existen diversas tecnologías dentro del ámbito de la energía solar de concentración, entre las que se encuentran los colectores cilindro-parabólicos, los sistemas Fresnel, los discos parabólicos y las torres solares. Entre todas ellas, las torres solares se perfilan como la opción más prometedora debido a su elevada eficiencia y su capacidad para operar a temperaturas más altas, lo que se traduce en una mayor eficiencia en la conversión de energía.
El almacenamiento térmico es un elemento clave en estas instalaciones. Los principales mecanismos de almacenamiento incluyen el calor sensible, el calor latente y el almacenamiento termoquímico, siendo este último el más avanzado desde el punto de vista de la densidad energética y la posibilidad de almacenamiento de larga duración sin pérdidas significativas a temperatura ambiente. En particular, los sistemas termoquímicos basados en el ciclo CaO/CaCO₃ %28carbonatación/descarbonatación%29 presentan un gran interés debido a su elevada entalpía de reacción %28178 kJ/mol%29, su bajo coste y la abundancia del calcio en la naturaleza.
No obstante, uno de los principales inconvenientes de estos sistemas es la sinterización del material durante los ciclos repetidos de reacción a alta temperatura. Este fenómeno provoca la pérdida de área superficial activa y, en consecuencia, una disminución progresiva de la capacidad de almacenamiento energético. Para abordar este problema, esta tesis propone la síntesis de pellets de CaO empleando distintas formas de γ-Al₂O₃ como aglomerante, con el objetivo de mejorar la estabilidad estructural y reducir los efectos de la sinterización.
En la primera etapa de la investigación se analizaron las propiedades de diferentes tipos de alúmina, incluyendo una variante comercial y otra mesoestructurada sintetizada en el propio grupo de investigación. Los resultados mostraron que ambas presentan una alta porosidad en comparación con el Ca%28OH%29₂ puro, facilitando el transporte de gases durante los ciclos de reacción. La alúmina mesoestructurada destacó particularmente por su elevado volumen de poro y área superficial. Sin embargo, tras someterlas a tratamientos térmicos a 850 °C, se observó un aumento del tamaño medio de los poros y una reducción del área superficial, atribuida a procesos de reorganización estructural.
Posteriormente, se evaluó el efecto de la proporción de alúmina en los pellets. Se observó que un mayor contenido de alúmina mesoestructurada incrementa la resistencia mecánica debido a la formación de mayenita %28Ca₁₂Al₁₄O₃₃%29, una fase cristalina densa que actúa como inhibidor de la sinterización. Sin embargo, este aumento en la resistencia mecánica conlleva una reducción en la cantidad de CaO disponible, lo que limita la capacidad de almacenamiento energético. Se identificó un equilibrio óptimo en pellets con un 20–30 % en peso de alúmina mesoestructurada, destacando la muestra CAA 20-20.
También se estudiaron pellets recubiertos con Al-MCM-41, observándose que, aunque aumentaba la resistencia mecánica, se dificultaba el intercambio gaseoso debido a la formación de una capa densa superficial, lo que reducía el rendimiento energético. Por ello, se descartó esta estrategia.
En fases posteriores, se incrementó la proporción de CaO para mejorar la capacidad energética, obteniéndose pellets con mayores densidades de almacenamiento, aunque con una ligera pérdida de resistencia mecánica. Estos materiales mostraron un buen equilibrio entre propiedades estructurales y funcionales.
En la segunda etapa, se abordó la mejora de la absorción de radiación solar mediante el dopado del CaO con metales como manganeso %28Mn%29 y cobalto %28Co%29. Los materiales resultantes mostraron un aumento significativo en la absortancia solar debido a la formación de nuevas fases cristalinas. Tras su incorporación en pellets, se observó que el dopado con Mn proporcionaba mejores resultados en términos de capacidad de almacenamiento energético y estabilidad cíclica, mientras que el Co mejoraba la resistencia mecánica pero reducía el rendimiento energético.
Finalmente, se estudió el co-dopado con Mn y Co, con el objetivo de combinar las ventajas de ambos metales. Aunque se logró mejorar la absorción solar y la resistencia mecánica, se observó una disminución en la capacidad energética debido a la formación excesiva de fases cristalinas no activas. Aun así, optimizando las proporciones de dopado y composición, se lograron materiales con prestaciones equilibradas.
En conclusión, esta investigación ha permitido desarrollar y caracterizar materiales avanzados con potencial aplicación en sistemas de almacenamiento termoquímico en plantas CSP. Los resultados obtenidos evidencian que la combinación de CaO con alúmina mesoestructurada y dopado controlado con metales puede mejorar significativamente la estabilidad estructural, la capacidad de almacenamiento energético y la eficiencia en la captación de energía solar, contribuyendo así al avance de tecnologías energéticas sostenibles.
