El almacenamiento por calor sensible consiste en acumular energía aumentando la energía interna de un cuerpo aportándole calor. La cantidad de energía almacenada por un cuerpo de masa m y calor específico Cp, que se calienta desde una temperatura Ti a una temperatura Tf responde a la siguiente ecuación:
Esta ecuación pone de manifiesto que la densidad de energía almacenada es directamente proporcional a la cantidad de material, a su calor específico y al salto térmico que este material experimenta. Cuanto mayores sean, mayor será la capacidad de almacenamiento.
Además de por el nivel de temperatura de almacenamiento que puede exigir la utilización de distintos materiales y componentes, estos sistemas pueden clasificarse por el tiempo de almacenamiento, distinguiéndose entre sistemas de almacenamiento de corta o larga duración.
Se entiende por almacenamiento de corta duración aquel en el que el periodo de almacenamiento (tiempo que transcurre entre la carga y la descarga) solo se extiende algunas horas y, por lo tanto, se carga y descarga diariamente. Para bajas temperaturas (<200°C) las tecnologías de almacenamiento por calor sensible que utilizan agua como material de almacenamiento son las de uso más extendido. El sistema de almacenamiento consiste, básicamente, en un tanque de agua aislado térmicamente, pudiendo estar presurizado o no. Este aislamiento térmico es muy efectivo e impide pérdidas significativas de energía durante el periodo de almacenamiento.
A pesar de que la densidad energética alcanzable con estas tecnologías es relativamente baja -oscila entre valores de 30 kWh/m3 a 60 kWh/m3-, el coste de inversión es limitado, dado que se sitúa por debajo de 20 €/kWh.
En rangos de temperatura mayores (>250°C) y con mayores capacidades de almacenamiento, está muy extendido el uso del sistema de doble tanque con sales fundidas asociado a las centrales de concentración solar. Estas sales, que son una mezcla de nitratos, almacenan energía en el rango de temperatura desde 290°C hasta 365°C, con una densidad de energía de 150 kWh/m3 y un coste que puede alcanzar los 60 €/kWh.
Por su parte, como solución alternativa a las sales y buscando reducir el coste de estos sistemas, las últimas décadas se ha propuesto la utilización de la tecnología de lecho fijo, donde el calor se almacena en un único tanque relleno de partículas de un material sólido, pudiendo ser desde rocas minerales hasta residuos industriales. Se han realizado ya algunos demostradores y apuntan una sensible reducción de costes, que se sitúa en torno a los 20-30 €/kWh.
Por último, otra aplicación industrial de almacenamiento de corta duración que utiliza una tecnología similar son los acumuladores regenerativos, de uso extendido en industrias como el vidrio o el acero. En este caso, la energía extraída de los humos de los hornos de fusión se acumula en sólidos refractarios que alcanzan temperaturas cercanas a los 1300°C, con el objetivo de precalentar el aire de combustión de los quemadores del siguiente ciclo de fusión. Se trata de un almacenamiento de muy corta duración, dado que se trata de coladas continuas, pero permite mejorar sustancialmente la eficiencia térmica de estos hornos.
Por otro lado, el desarrollo de soluciones de almacenamiento de larga duración (meses) se ha enfocado hacia la captación de la energía solar del verano para la calefacción de edificios en invierno, de ahí que se le denomine también almacenamiento estacional. Se trata nuevamente de sistemas que almacenan fundamentalmente agua caliente, aunque también se pueden encontrar sistemas de lecho fijo, y se distinguen no sólo por la larga duración del periodo de almacenamiento, sino también por la gran cantidad de energía que pueden almacenar y, en consecuencia, por su gran tamaño (2.000 – 100.000 m3).
Para evitar las perdidas térmicas, normalmente estos grandes depósitos se encuentran enterrados, limitados por exigentes obras civiles o disposición de cavidades naturales, y por esta razón, son más comunes en países del norte de Europa, que pueden asumir los altos costes de inversión por disponer de mayores demandas de calor.
La función principal de los sistemas de almacenamiento de energía la constituye la capacidad de desacoplar en el tiempo la generación de energía de la demanda. De esta manera, permite optimizar las infraestructuras de generación, transporte y distribución de energía, pero, sobre todo, permite conseguir una mayor penetración de energía renovable, dado que elimina la dependencia de que exista recurso renovable en el momento de la demanda.
Una vez la energía se encuentra almacenada, se habilitan diferentes aplicaciones, como el arbitraje, reducción de picos de demanda, regulación de frecuencia o de tensión, o reservas de capacidad para atender a potenciales incidencias.
Por las características del almacenamiento de energía en forma de calor sensible, en la actualidad, la mayoría de las aplicaciones están asociadas a el almacenamiento de energía renovable, de manera que pueda desplazarse la disposición de esta energía a periodos de mayor demanda. De esta manera se consigue reducir la factura energética y al mismo tiempo las emisiones asociadas a la generación utilizando combustibles fósiles.
A baja temperatura (< 100 °C), el material de almacenamiento térmico más comúnmente utilizado es el agua. Aparte de un valor de calor específico elevado, el agua es gratuita (o casi) y no presenta problema alguno de seguridad, toxicidad o desde el punto de vista medioambiental. Aunque de uso más puntual, también pueden encontrarse soluciones industriales que utilizan agua a presión para temperaturas >100°C.
Los materiales líquidos de uso más común a media-alta temperatura (hasta aprox. 600°C), son las sales fundidas. Como materiales sólidos, es corriente el uso de hormigones especiales en aplicaciones hasta 500 °C y de materiales cerámicos a temperaturas de hasta 1500 °C.
La siguiente Tabla proporciona valores de rangos de temperatura de aplicación, de calor específico y de capacidad volumétrica de almacenamiento térmico por calor sensible de estos medios.
En aplicaciones a alta temperatura (>600 °C), se están estudiando materiales sólidos de muy bajo coste (rocas naturales y subproductos industriales) que podrían llegar a sustituir al hormigón y a los materiales cerámicos.
La aplicación por excelencia para temperaturas hasta 600°C son las centrales de concentración solar, donde ya se ha conseguido demostrar que haciendo uso del almacenamiento térmico de sales fundidas son capaces de suministrar energía eléctrica 24h de manera ininterrumpida. Por encima de los 600°C existen aplicaciones en el sector industrial con mucho potencial todavía por explotar. Se trata del calor residual industrial y su capacidad para mejorar sustancialmente la eficiencia de los procesos.
La mayor parte de la energía que se utiliza en sectores como alimentación, papel, siderurgia o química, entre muchas otras, es en forma de calor y sopone mas del 50% de consumo mundial de calor. El problema es que una vez se utiliza esta energía térmica, entre el 20% y el 50% se desecha en forma de calor residual. La principal razón reside en que no se han desarrollado los medios para capturar esta energía y volverla a introducir en el proceso, evitando el consumo energético asociado a una nueva generación de calor. En este sentido, el almacenamiento térmico puede jugar un papel importante, dado que existen tecnologías que son capaces de almacenar calor hasta temperaturas incluso por encima de 1300°C, a un coste razonable, para su utilización a demanda. Los acumuladores regenerativos son un buen ejemplo de este tipo de aplicaciones, como ya se ha comentado.
No me cabe duda que el almacenamiento térmico será uno de los protagonistas de la descarbonización, porque tiene un valor diferencial respecto al resto de las tecnologías de almacenamiento, y es que se trata de una tecnología de bajo coste, con todavía mucho recorrido de mejora.
Tanto para grandes necesidades de almacenamiento masivo en red como pequeñas cantidades para uso doméstico, su principal ventaja es que se trata de una tecnología simple con muy bajos ratios de inversión y comportamiento fiable y duradero. En una futura red constituida principalmente por fuentes de energía renovable, es muy posible que convivan múltiples tecnologías de almacenamiento y sin duda, una de ellas será el almacenamiento térmico.
CIC energiGUNE constituye una de las instituciones que más ha invertido en la investigación sobre tecnologías de almacenamiento térmico, hasta el punto que representa un centro de referencia a nivel europeo. El equipo investigador de CIC energiGUNE ha publicado más de 200 publicaciones científicas en el campo y ha liderado la puesta en marcha de varios demostradores industriales.
Con el foco en el desarrollo de soluciones de almacenamiento térmico para la industria y siendo conscientes de que el coste de la tecnología suponía un freno a su implementación, CIC energiGUNE ha sido uno de los centros pioneros en la construcción de sistemas de almacenamiento térmico que utilizan residuos sólidos como material de almacenamiento, contribuyendo también de esta manera a la economía circular.
Hoy día, con el incremento del precio de los combustibles fósiles, las energías renovables y la eficiencia energética van a convertirse, por necesidad, en prioridades industriales y las soluciones de almacenamiento térmico de CICenergiGUNE están listas para asumir el reto.
De hecho, como el mundo cambia a velocidad de vértigo, CIC energiGUNE ya está trabajando en sistemas de almacenamiento de segunda generación, que utilizan materiales de cambio de fase, e incluso de tercera generación, donde el calor se almacena en forma de reacciones químicas reversibles, ambas con capacidades de almacenamiento muy superiores a las de calor sensible.
