Fomentando un transporte más limpio con energia solar

Todos sabemos que la quema de combustibles fósiles emite grandes cantidades de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera proveniente de diversas industrias, incluida la industria del automóvil. Y aunque reconocemos los beneficios de descarbonización de los vehículos eléctricos, ¿sabía que una gran parte de la electricidad utilizada para recargar las baterías de los EV todavía se produce quemando combustibles fósiles? Parece que incluso con nuestros mejores esfuerzos de sostenibilidad, los combustibles fósiles que emiten carbono son inevitables, hasta ahora. La empresa suiza de energía limpia Synhelion está avanzando hacia emisiones netas cero con el objetivo de eliminar los combustibles fósiles por completo.

Como miembro del Ansys Startup Program, Synhelion está utilizando la simulación multifísica de Ansys y la energía solar para convertir el CO2 y el agua en combustibles sintéticos, como gasolina solar, diésel o combustible para aviones, que son compatibles con los motores de combustión interna convencionales o turbinas de aviones. A través de este enfoque, Synhelion está cambiando el proceso tradicional de creación de combustible basado en el petróleo por un método que utiliza CO2, vapor de agua y calor para transformar la industria de los combustibles fósiles. Además, los innovadores «combustibles solares» son neutros en carbono y emiten solo la cantidad de CO2 que se usó durante la producción, lo que significa que la cantidad de CO2 liberado se reduce drásticamente y puede incluso llegar a cero cuando se usa CO2 del aire no contaminado durante la producción. Synhelion se convirtió en miembro de Ansys Startup Program a principios de 2020 a través del Elite Channel Partner de Ansys en Suiza, CADFEM.

¿Un trabajo sofocante? No para la simulación

Synhelion se enfrentó a numerosos desafíos de diseño, incluidos el control y la evaluación de la transferencia de calor por radiación en gases moleculares, la distribución del flujo aerodinámico, la refrigeración por agua de los componentes expuestos a altas temperaturas, la expansión térmica y el análisis termomecánico.

Para realizar la conversión, la luz del sol se refleja en los espejos y se concentra directamente en un receptor solar donde un fluido de transferencia de calor se calienta a temperaturas de hasta 1500 °C. El calor resultante se utiliza luego para alimentar un reactor termoquímico que produce el combustible sintético. Synhelion utilizó el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) y análisis de elementos finitos (FEA) de Ansys para comprender mejor este flujo complejo y poder replicar la dinámica de fluidos térmicos para diseñar y validar equipos capaces, a pesar de las temperaturas abrasadoras.

Para analizar las tensiones debidas a la expansión térmica del nuevo frente del receptor, los ingenieros de Synhelion realizaron una simulación FEA en Ansys Mechanical. Como primer paso, los ingenieros realizaron simulaciones CFD de los componentes individuales en Ansys Fluent para aproximar las temperaturas durante las pruebas solares. Esto incluía el flujo de gas, la transferencia de calor y los componentes enfriados por agua expuestos a un alto flujo de calor.

En un segundo paso, estas temperaturas se usaron en Ansys Mechanical para observar la expansión térmica, el almacenamiento térmico y las tensiones resultantes a través de simulaciones transitorias de carga y descarga, junto con simulaciones CFD de distribución de flujo. A continuación, el equipo utilizó CFD para simular la transferencia de calor hacia y dentro de los tubos del reactor para estimar la reacción química y la producción de gas de síntesis (o gas de síntesis) del reactor termoquímico mientras computaba y analizaba los cálculos de caída de presión en los tubos del reformador.

Combustible solar, a gran escala

El combustible solar resultante resuelve varios desafíos, incluido ser más limpio, más económico, más fácil de transportar y puede almacenarse indefinidamente.

«La simulación CFD y FEA de Ansys nos permite desarrollar, probar y validar una tecnología extremadamente compleja para crear combustibles solares sostenibles», dijo Lukas Geissbühler, director de sistemas térmicos de Synhelion en una nota de prensa. “En particular, para el desarrollo de nuestro receptor solar necesitábamos un software sofisticado y preciso y Ansys nos lo proporcionó. Gracias al software de simulación de Ansys, pudimos reducir el tiempo de creación de prototipos y construir nuestro primer receptor industrial más rápidamente”.

Como resultado de la simulación, los ingenieros de Synhelion pudieron detectar cambios en el material de los componentes expuestos, como acero inoxidable y aluminio, para crear una mayor conductividad térmica y mejorar los diseños de refrigeración por agua para evitar el sobrecalentamiento. Además, el software de Ansys permitió al equipo de Synhelion superar los desafíos de diseño, predecir resultados futuros y reducir el tiempo de creación de prototipos.

A diferencia de sus competidores, al usar energía solar concentrada directamente en un proceso termoquímico, Synhelion puede usar el 100 % del espectro de luz, en lugar de emplear paneles fotovoltaicos (PV), donde solo se puede utilizar el 20 % del espectro de luz. Otro factor distintivo es que la tecnología de almacenamiento de energía térmica de Synhelion permite calor solar de bajo coste las 24 horas del día, una diferencia significativa con respecto a los competidores, que requieren un almacenamiento de electricidad de coste elevado para una operación continua.

¿Y ahora qué, aceras solares?

Algo así. Synhelion ha tenido éxito similar utilizando calor solar para generar cemento más limpio, que representa aproximadamente el 8 % de las emisiones globales de CO2 y es el segundo material más utilizado del mundo.

Durante el proceso de fabricación del cemento, la quema de combustibles fósiles para calentar el horno representa un tercio de las emisiones, mientras que dos tercios provienen de reacciones químicas que liberan CO2 a medida que se procesa la piedra caliza. Debido a una característica única de la tecnología de calor de proceso solar de Synhelion, que produce el CO2 generado en forma concentrada, Synhelion dice que ofrece la capacidad de impulsar el proceso de fabricación de cemento con energía solar, capturando el exceso de CO2 y asegurando que no se liberen emisiones a la atmósfera. .

Y Synhelion está expandiendo su tecnología e impacto aún más. Después de recaudar recientemente alrededor de 15 millones de euros en fondos de la Serie B, el pionero del combustible solar planea construir la primera planta del mundo capaz de producir combustibles solares a escala industrial en 2022.