Enhancing the thermal efficiency of a salinity gradient solar pond. Implementation of the study in the design, construction, salinity gradient establishment, operation and energy transfer at industrial scale

Abstract

The energy model in the last decades has been dominated by the consumption of fossil fuels assuming a high environmental cost. Global warming and the destruction of the ozone layer are two examples of the deterioration that is being suffered due to the use of these energy sources. Increasingly, the use of renewable energy one of the alternatives in building a sustainable economic model. Among renewables, solar energy is presented as an inexhaustible and accessible source of energy. The solar pond is a technology that meets all requirements to be considered an energy storage device. It can store solar energy, charging during the months of high solar incidence (Spring-Summer), storing the energy through the time and making possible its use when it is requested. A salt gradient solar pond is a body of saline water with long term thermal storage capacity. The aim and scope of this PhD thesis is divided in two parts. First, the improvement of the efficiency of the solar pond technology through experimental evaluation the heat extraction and heat supply processes under different weather conditions. These experiments were carried out in a 50 m2 solar pond pilot plant located in Martorell (Catalonia). Heat extraction experiments were performed using both heat exchangers installed (lateral and bottom) individually or both at the same time. The results demonstrated that the efficiency of the pond increases when the heat is removed from the lateral heat exchanger compared to either using the bottom heat exchanger or using both heat exchangers simultaneously. On the other hand, the use of solar collectors as an external source of heat were conducted together with heat extraction process under two different seasonal temperature conditions: winter and summer. The results indicated that the use of solar collectors allowed a 50% increase in daily efficiency during the cold season tests. The second part was focused on the design, construction and operation of a 500 m2 solar pond in Solvay Minerales facilities (Granada). The solar pond was designed to supply the heat required to preheat the water (> 60 °C) and the reagents in the mineral flotation unit at the mineral processing facility. The overall efficiencies obtained after the first and second operation periods are 9.7 and 12.3%, respectively, with maximum values of 28 and 24% obtained during the first months of operation. Regarding the economic savings, reductions of 52 and 68% were obtained in the first and second periods compared with the traditional system without solar pond. Also, the environmental impact is clearly reduced considering the reduction of CO2 emissions. The experience of the Granada solar pond proves that the main advantage of a solar pond is the capacity to store energy in the months with the highest solar radiation to provide a flux of heat to an external system during the whole year even under strong weather conditions, as observed during the January 2015 snowfall.

El modelo energético en las últimas décadas ha estado dominado por el consumo de combustibles fósiles, asumiendo un alto coste ambiental. El calentamiento global y la destrucción de la capa de ozono son dos ejemplos del deterioro que se está sufriendo debido al uso de estas fuentes de energía. Cada vez más, el uso de energías renovables es una de las alternativas en la construcción de un modelo económico sostenible. Entre las energías renovables, la energía solar se presenta como una fuente de energía inagotable y accesible. El estanque solar es una tecnología que cumple todos los requisitos para ser considerado un dispositivo de almacenamiento de energía. Puede almacenar energía solar, cargando durante los meses de alta incidencia solar (primavera-verano), almacenando la energía y haciendo posible su uso cuando es necesaria. Un estanque solar con gradiente salino es un cuerpo de agua salina con capacidad de almacenamiento térmico a largo plazo. El objetivo y alcance de esta tesis doctoral se divide en dos partes. Primero, la mejora de la eficiencia del estanque solar a través de la evaluación experimental de los procesos de extracción de calor y aportación de calor en diferentes condiciones climáticas. Estos experimentos se llevaron a cabo en un estanque solar a escala planta piloto de 50 m2 situada en Martorell (Cataluña). Los experimentos de extracción de calor se realizaron mediante el uso de intercambiadores de calor situados en el área lateral y en el área inferior del estanque. El proceso de extracción de calor se llevó a cabo de manera individual (área lateral o inferior) o simultáneamente (área global). Los resultados demostraron que la eficiencia del estanque aumenta cuando el calor es extraído usando el intercambiador de calor lateral en comparación con el uso del intercambiador de calor inferior o con los dos intercambiadores de calor simultáneamente. Por otro lado, el uso de placas solares como fuente externa de energía se llevó a cabo junto con el proceso de extracción de calor en dos condiciones climatológicas diferentes: invierno y verano. Los resultados obtenidos indicaron que el uso de placas solares permitió un aumento del 50% en la eficiencia diaria durante los experimentos llevados a cabo durante la estación fría. La segunda parte se centró en el diseño, construcción y operación de un estanque solar de 500 m2 en las instalaciones de Solvay Minerales (Granada). El estanque solar fue diseñado para suministrar el calor necesario para precalentar el agua (> 60 ° C) y los reactivos en la unidad de flotación de la instalación de procesamiento de minerales. Las eficiencias globales obtenidas después del primer y segundo período de operación son 9.7 y 12.3%, respectivamente, con valores máximos de 28 y 24% obtenidos durante los primeros meses de operación. En cuanto al ahorro económico, se obtuvieron reducciones de 52 y 68% en el primer y segundo período en comparación con el sistema tradicional sin estanque solar. Además, el impacto ambiental se reduce claramente considerando la reducción de las emisiones de CO2. La experiencia del estanque solar de Granada demuestra que la principal ventaja de estos sistemas es la capacidad de almacenar energía en los meses con mayor radiación solar, para poder proporcionar un flujo de calor a un sistema externo durante todo el año, incluso en condiciones climáticas adversas, como se pudo comprobar durante la nevada en enero de 2015.