El almacenamiento de energía térmica, en forma de frío o calor, es una tecnología transversal que contribuye de distintas maneras al futuro sistema energético.
Después de repasar los principales sistemas químicos para el almacenamiento de energía, es el momento de ver lo que nos puede ofrecer la energía térmica.
La energía térmica como opción para el almacenamiento incrementa el porcentaje de energías renovables, aprovechando los vertidos de energía eléctrica para producir calor o frío para su uso posterior, y presenta un gran potencial de hibridación con otras tecnologías energéticas.
También agrega flexibilidad a la operación de plantas energéticas y procesos industriales, a la vez que favorece la recuperación de calor residual procedente de los procesos industriales, y mejora el rendimiento energético en los procesos industriales y en la edificación.
Adicionalmente, en muchos ámbitos y aplicaciones es necesario el uso de energía térmica, como, por ejemplo, en las instalaciones de frío o calor para usos industriales o para climatización
En ese sentido, la combinación con otras tecnologías, como la bomba de calor con tanques de almacenamiento energético, ya sea en forma de almacenamiento de agua caliente (calor sensible) o con tanques de cambio de fase (calor latente), permite la integración de electricidad y energía térmica a diversas escalas.
Vamos a ver algunos de los principales posibilidades que nos proporciona la energía térmica:
Almacenamiento de calor sensible
Es la tecnología de almacenamiento térmico más utilizada en aplicaciones de escala residencial e industrial.
Su funcionamiento se basa en aumentar o disminuir la temperatura de un material líquido o sólido con una elevada capacidad calorífica (aceites, agua o sales fundidas) con el objetivo de almacenar y liberar la energía térmica para aplicaciones de baja temperatura.
Para bajas temperaturas (hasta 120 °C) se recurre al agua como medio eficaz y de muy bajo coste, usualmente en tanques pequeños, bien aislados, que por su rango de temperaturas permite emplear energía solar térmica.
En caso de que se requieran volúmenes superiores se recurre a almacenamientos subterráneos de muy diversa índole (cavernas, pozos, incluso versiones híbridas que combinen varias soluciones).
En el ámbito residencial, es muy habitual el uso del termo de agua caliente sanitaria (ACS). Estos dispositivos, integrados en sistemas de autoconsumo, permiten aprovechar los excedentes de generación renovable.
Además, en caso de añadir sistemas de control inteligente, estos dispositivos pueden gestionarse de manera agregada para dar servicios de flexibilidad a la red.
El almacenamiento térmico subterráneo en acuíferos, ATES (en inglés, Aquifer Thermal Energy Storage) es otra de las soluciones para contribuir a la descarbonización de la climatización urbana, tanto de calor como de frío.
Las propiedades hidrotérmicas de los acuíferos permiten mantener focos de temperatura estacionarios durante un ciclo anual. El sistema ATES puede funcionar en ciclo semi cerrado, en un proceso retroalimentado, para crear un foco caliente y otro frío dentro de un mismo acuífero.
En invierno se bombea agua del acuífero para alimentar una bomba de calor, el agua fría resultante del intercambio se inyecta en un foco frío, lejano. En verano el ciclo se invierte, se bombea del foco frío y el agua caliente del intercambio se inyecta en el otro extremo para crear un foco caliente para el invierno siguiente.
Para altas temperaturas, el fluido más habitual son las sales fundidas, por su excelente relación entre la capacidad de almacenamiento y el coste.
Además, las elevadas temperaturas de operación son compatibles con aplicaciones tales como los ciclos de vapor, que permiten devolver la electricidad a la red. Se trata en este caso de una tecnología madura y comercialmente disponible.
Adicionalmente, existen soluciones de almacenamiento en materiales sólidos, en las que el calor se transfiere de manera directa desde un medio gaseoso a materiales tales como ladrillos cerámicos, hormigón, o piedras naturales, como las volcánicas y el cuarzo, pudiendo alcanzar temperaturas por encima de 700 °C y teóricamente hasta los 1.000 °C.
Almacenamiento de calor latente
Los materiales de almacenamiento de calor latente (en ingles PCM, Phase Change Material) transfieren la energía absorbida o liberada durante su cambio de fase, que se produce a temperatura constante, presentando una mayor densidad energética que la tecnología de calor sensible.
La selección de los materiales se efectúa de acuerdo con el rango de temperaturas que se requiera: soluciones de sal acuosa o hielo si la temperatura es inferior a 0 °C, siendo ya habitual su presencia a gran escala. También ácidos grasos, hidratos de sal o alcoholes si la temperatura oscila entre 90 °C y 200 °C, y metales y carbonatos a partir de los 400 °C.
Cabe mencionar también las tecnologías en desarrollo para almacenar el calor latente de fusión del silicio. Son sistemas que operan a 1410 °C, la temperatura de fusión de este.
Almacenamiento de calor termoquímico
Estos sistemas emplean la energía térmica para disociar los compuestos en 2 productos reactivos que almacenan calor de manera separada.
Una posterior recombinación de los reactantes genera una reacción exotérmica que libera el calor almacenado. Las reacciones pueden ser gas-gas o gas-sólido. Estas últimas tienen lugar a una temperatura constante, lo cual permite seleccionar los reactantes a medida para cada aplicación concreta, además de desacoplar potencia y capacidad.
Pueden operar mediante reacciones químicas reversibles, mediante procesos de absorción y disolución de un material, o mediante reacciones de adsorción, en las que los reactantes se separan durante la carga de energía y el calor de la reacción se libera tras la recombinación.
Pese a su potencial, estos sistemas, en general, no son aún una alternativa madura a gran escala en el mercado, salvo algunas aplicaciones como las máquinas de absorción de amoníaco-agua o de bromuro de litio-agua, que poseen una cierta implantación en el sector industrial.
Es necesario aún mejorar ciertos aspectos como las propiedades de los materiales para lograr una mayor estabilidad del sistema, así como en relación con su coste.
En nuestra próxima entrega nos ocuparemos de los sistemas eléctricos para el almacenamiento de energía.
Excelente información compartida.