El almacenamiento de energía en la arena ofrece una vía de bajo coste para el suministro fiable de electricidad y calor en la era de las energías renovables
A medida que las comunidades, ciudades y estados desarrollan ambiciosos objetivos de eficiencia energética y descarbonización, el almacenamiento de energía es un componente cada vez más crítico de nuestra economía energética.
Las fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, están cambiando la forma de suministrar energía a nuestros edificios, industrias y redes; sin embargo, son intermitentes: necesitamos energía continua incluso después de que se ponga el sol o se acabe el viento.
Por ello, el almacenamiento de energía es fundamental para garantizar la continuidad de la energía y permite a los productores de energía aprovechar al máximo los momentos de sobregeneración en los días soleados (o con viento).
En lo que respecta al almacenamiento de energía de corta duración, las baterías de iones de litio se consideran las principales, pero las baterías no son todo. Nuestros edificios, empresas, industrias y redes necesitan más almacenamiento, a menor coste, durante más tiempo y con mayor capacidad de la que pueden ofrecer las baterías para sustituir a los combustibles fósiles y lograr un futuro sostenible.
Para hacer frente a este reto de almacenamiento de energía, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL, por sus siglas en inglés) están en las últimas fases de prueba de un prototipo de una nueva tecnología de almacenamiento de energía térmica que cambia las reglas del juego y que utiliza arena de sílice de bajo coste como medio de almacenamiento.
El Almacenamiento Económico de Electricidad de Larga Duración mediante el Uso de Almacenamiento de Energía Térmica de Bajo Coste y Ciclo de Energía de Alta Eficiencia (Economic Long-Duration Electricity Storage by Using Low-Cost Thermal Energy Storage and High-Efficiency Power Cycle, ENDURING, por sus siglas en inglés) es una solución fiable, rentable y escalable que puede ubicarse en cualquier lugar.
Figura 1. Funcionamiento de la tecnología ENDURING del NREL
El mecanismo ENDURING: La arena almacenable y calentada eléctricamente suministra electricidad a la carta
ENDURING utiliza la electricidad procedente del excedente solar o eólico para calentar un material de almacenamiento térmico: la arena de sílice. Las partículas se introducen en un conjunto de elementos calefactores eléctricos resistivos para calentarlas a 1.200 °C (imagínese que se vierte arena en una tostadora gigante). A continuación, las partículas calentadas se introducen por gravedad en silos de hormigón aislados para almacenar la energía térmica. El sistema básico está diseñado para almacenar de forma económica hasta la asombrosa cifra de 26.000 MWh de energía térmica. Gracias a su diseño modular, la capacidad de almacenamiento puede ampliarse o reducirse con relativa facilidad.
Cuando se necesita energía, las partículas calientes se alimentan por gravedad a través de un intercambiador de calor, calentando y presurizando un gas de trabajo en su interior para impulsar la turbomaquinaria y hacer girar los generadores que crean electricidad para la red. El sistema se descarga durante los periodos de mayor demanda de electricidad y cuando la energía solar fotovoltaica o eólica es limitada, como por ejemplo a primera hora de la mañana y por la noche, durante la preparación de la cena y cuando los televisores están encendidos. Una vez descargadas, las partículas gastadas y frías se introducen de nuevo en silos aislados para su almacenamiento hasta que las condiciones (y la economía) vuelvan a ser adecuadas para la carga.
Cómo la arena caliente en un silo está revolucionando la descarbonización de la energía
ENDURING ofrece varias ventajas con respecto a otras tecnologías de almacenamiento de electricidad.
Como medio de almacenamiento, la abundante arena de sílice es estable y barata, a 30-50 dólares/tonelada, y tiene un impacto ecológico limitado tanto en su extracción como al final de su vida útil. En comparación, las baterías de iones de litio tienen una densidad de almacenamiento de energía excepcional -importante para ciertos sectores como el transporte, donde el peso importa-, pero tiene un coste elevado. El almacenamiento de energía térmica por partículas es una forma de almacenamiento menos densa, pero es muy barata (2-4 dólares por kWh de energía térmica con una diferencia de temperatura de carga y descarga de 900 °C). El sistema de almacenamiento de energía es seguro porque se utiliza arena de sílice inerte como medio de almacenamiento, lo que lo convierte en un candidato ideal para el almacenamiento masivo de energía de larga duración.
Los sistemas ENDURING no tienen restricciones particulares de emplazamiento y pueden ubicarse en cualquier lugar del país. Estos sistemas también pueden construirse utilizando la infraestructura existente de las centrales eléctricas de carbón y gas retiradas.
La tecnología ENDURING puede apoyar la expansión de la generación de energía renovable en todo el país. La construcción de estos sistemas rentables de almacenamiento de energía térmica de partículas en todo Estados Unidos podría ayudar a las empresas de servicios públicos a seguir utilizando la energía solar y eólica sin correr el riesgo de desestabilizar la red o tener que reducir la generación de energía renovable. El almacenamiento de energía térmica de partículas también proporcionará reservas de energía para que nuestras comunidades puedan navegar mejor a través de eventos climáticos prolongados, ya sea un frente frío de una semana o una ola de calor de verano.
Múltiples casos potenciales de uso económico apoyan la descarbonización para 2050
La Administración Biden pretende conseguir un sector energético libre de carbono para 2035 y una economía de emisiones netas cero para 2050. Zhiwen Ma, investigador principal del proyecto ENDURING, considera que el almacenamiento de energía térmica de partículas desempeña un papel importante en la consecución de estos objetivos. «Mientras que la descarbonización de la electricidad tiene un camino claro, la descarbonización de toda la economía -que incluye cosas como la calefacción de los edificios y los procesos industriales- es más difícil porque el gas natural es muy barato, lo que dificulta su sustitución», dijo. «Descarbonizar los procesos industriales y la calefacción de los edificios es muy difícil».
Convertir la electricidad renovable en calor es una forma de descarbonizar estos sectores. Ma ve una oportunidad para que el almacenamiento de energía térmica de partículas desempeñe un papel en la suplantación rentable del gas natural. Utilizando una bomba de calor, una unidad de electricidad se transforma en dos o tres unidades de calor, que pueden almacenarse en el sistema de almacenamiento de energía térmica de partículas y entregarse posteriormente al usuario final (dependiendo del coeficiente de rendimiento de la bomba de calor o del uso de una tecnología emergente de almacenamiento de energía térmica por bombeo). Estas tecnologías pueden utilizarse para la calefacción de edificios y procesos industriales en sustitución del carbón o el gas natural.
Además de proporcionar almacenamiento en la red y calor para edificios, ENDURING ofrece una fuente de calor estable para procesos industriales y químicos que, de otro modo, son incompatibles con la intermitencia asociada a la energía solar y eólica.
Según el investigador del NREL Patrick Davenport, el entorno económico, los objetivos de descarbonización y la tecnología se han alineado para el almacenamiento de energía térmica de partículas. «Los silos de arena y hormigón con aislamiento refractario son materiales muy baratos que pueden dar lugar a un almacenamiento de energía de bajo coste», dijo. «Las tecnologías tradicionales de almacenamiento en cuatro horas no se adaptan bien a la escala de la red o de la ciudad. Ahora que necesitamos almacenamiento de energía a gran escala, esta tecnología tiene mucho sentido.»
Primeros logros y promesa de ENDURING
El proyecto ENDURING está experimentando un progreso prometedor y un interés inicial. El equipo ha ganado recientemente el premio al mejor trabajo de la División de Sistemas Energéticos Avanzados y de la División de Energía Solar 2021 de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos, así como varios premios de financiación tecnológica del Departamento de Energía de Estados Unidos. Se han concedido patentes sobre la integración de la energía solar de concentración y se están presentando varias más.
Los prototipos de calentadores e intercambiadores de calor de ENDURING se están probando actualmente en condiciones de alta temperatura.
Si las tareas de los prototipos tienen éxito este otoño, Ma confía en que la tecnología ENDURING ofrecerá un gran potencial de apoyo a la integración de las renovables para el futuro suministro de energía libre de carbono.
Ma no es el único que ve un futuro prometedor: el NREL y la empresa de tecnología de energías limpias Babcock & Wilcox tienen un acuerdo de opción de propiedad intelectual exclusiva para licenciar la tecnología de almacenamiento de energía térmica de partículas ENDURING. Babcock & Wilcox es uno de los socios de investigación de la industria y el mundo académico que han contribuido al proyecto ENDURING, como General Electric, Allied Mineral Products, Worley, la Universidad de Purdue y la Escuela de Minas de Colorado.
Más información en: NREL / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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