Almacenamento por calor sensible

O almacenamento por calor sensible consiste en acumular enerxía aumentando a enerxía interna dun corpo aportándolle calor. A cantidade de enerxía almacenada por un corpo de masa m e calor específico C_p, que se quenta dende unha temperatura T_i a unha temperatura T_f responde á seguinte ecuación:

Esta ecuación pon de manifesto que a densidade de enerxía almacenada é directamente proporcional á cantidade de material, ao seu calor específico e ao salto térmico que este material experimenta. Canto maiores sexan, maior será a capacidade de almacenaxe.

Ademais de polo nivel de temperatura de almacenamento que pode esixir a utilización de diferentes materiais e compoñentes, estes sistemas poden clasificarse polo tempo de almacenaxe, distinguíndose entre sistemas de almacenamento de curta ou longa duración.

Enténdese por almacenaxe de curta duración aquel no que o período de almacenamento (tempo que transcurre entre a carga e a descarga) só se estende algunhas horas e, polo tanto, cárgase e descárgase diariamente. Para baixas temperaturas (<200ºC) as tecnoloxías de almacenamento por calor sensible que utilizan auga como material de almacenaxe son as de uso máis estendido. O sistema de almacenamento consiste, básicamente, nun tanque de auga aislado térmicamente, podendo estar presurizado ou non. Este aislamento térmico é moi efectivo e impide pérdidas significativas de enerxía durante o período de almacenaxe.

A pesar de que a densidade enerxética alcanzable con estas tecnoloxías é relativamente baixa -oscila entre valores de 30 kWh/m³ a 60 kWh/m³ -, o coste de inversión é limitado, dado que se sitúa por debaixo de 20€/kWh.

En rangos de temperatura maiores (>250ºC) e con maiores capacidades de almacenaxe, está moi estendido o uso do sistema de doble tanque con sales fundidas asociado ás centrais de concentración solar. Estas sales, que son unha mezcla de nitratos, almacenan enerxía no rango de temperatura dende 290ºC ata 365ºC, cunha densidade de enerxía de 150 kWh/m³ e un custo que pode alcanzar os 60 €/kWh.

Pola súa parte, como solución alternativa ás sales e buscando reducir o custo destes sistemas, as últimas décadas propúxose a utilización da tecnoloxía de leito fixo, onde a calor se almacena nun único tanque recheo de partículas dun material sólido, podendo ser dende rocas minerais ata residuos industriais. Realizáronse xa algúns demostradores e apuntan unha sensible reducción de custos, que se sitúa en torno aos 20-30 €/kWh.

Por último, outra aplicación industrial de almacenamento de curta duración que utiliza unha tecnoloxía similar son os acumuladores rexenerativos, de uso estendido en industrias como o vidro e o aceiro. Neste caso, a enerxía extraída dos fumes dos fornos de fusión acumúlanse en sólidos refractarios que alcanzan temperaturas cercanas aos 1300ºC, co obxectivo de prequentar o aire de combustión dos queimadores do seguinte ciclo de fusión. Trátase dun almacenamento de moi curta duración, dado que se trata de coladas continuas, pero permite mellorar substancialmente a eficiencia térmica destes fornos.

Por outro lado, o desarroio de solucións de almacenamento de longa duración (meses) enfocouse cara a captación da enerxía solar do verán para a calefacción de edificios en inverno, de ahí que se lle denomine tamén almacenamento estacional. Trátase novamente de sistemas que almacenan fundamentalmente auga quente, aínda que tamén se poden encontrar sistemas de leito fixo, e se distinguen non só pola longa duración do período de almacenaxe, senon tamén pola gran cantidade de enerxía que poden almacenar e, en consecuencia, polo seu gran tamaño (2.000 – 100.000 m³).

Para evitar as perdidas térmicas, normalmente estes grandes depósitos encóntranse enterrados, limitados por esixentes obras civís ou disposición de cavidades naturais, e por esta razón, son máis comúns en países do norte de Europa, que poden asumir os altos custos de inversión por dispoñer de maiores demandas de calor.

A función principal dos sistemas de almacenamento de enerxía constitúea a capacidade de desacoplar no tempo a xeración de enerxía da demanda. Desta maneira, permite optimizar as infraestructuras de xeración, transporte e distribución de enerxía, pero, sobre todo, permite conseguir unha maior penetración de enerxía renovable, dado que elimina a dependencia de que exista recurso renovable no momento da demanda.

Unha vez a enerxía se encontra almacenada, habilítanse diferentes aplicacións, como a arbitraxe, redución de picos de demanda, regulación de frecuencia ou de tensión, ou reservas de capacidade para atender a potenciais incidencias.

Polas características do almacenamento de enerxía en forma de calor sensible, na actualidade, a maioría das aplicacións están asociadas á almacenaxe de enerxía renovable, de maneira que poda desprazarse a disposición desta enerxía a períodos de maior demanda. Desta maneira conséguese reducir a factura enerxética e ao mesmo tempo as emisións asociadas á xeración utilizando combustibles fósiles.

A baixa temperatura (<100 ºC), o material de almacenamento térmico máis comúnmente utilizado é a auga. Aparte dun valor de calor específico elevado, a auga é gratuita (ou case) e non presenta problema algún de seguridade, toxicidade ou dende o punto de vista medioambiental.  Aínda que de uso máis puntual, tamén poden encontrarse solucións industriais que utilizan auga a presión para temperaturas >100ºC.

Os materiais líquidos de uso máis común a media-alta temperatura (ata aprox. 600ºC), son as sales fundidas. Como materiais sólidos, é normal o uso de formigóns especiais en aplicacións ata 500 ºC e de materiais cerámicos a temperaturas de ata 1500 ºC.

A seguinte Táboa proporciona valores de rangos de temperatura de aplicación, de calor específico e de capacidade volumétrica de almacenaxe térmico por calor sensible destes medios.

En aplicacións a alta temperatura (>600 ºC), estanse estudando materiais sólidos de moi baixo custo (rocas naturais e subprodutos industriais) que poderían chegar a substituír ao formigón e aos materiais cerámicos.

A aplicación por excelencia para temperaturas ata 600ºC son as centrais de concentración solar, onde se conseguiu demostrar que facendo uso do almacenamento térmico de sales fundidas son capaces de subministrar enerxía eléctrica 24h de maneira ininterrumpida. Por riba dos 600ºC existen aplicacións no sector industrial con moito potencial aínda por explotar. Trátase do calor residual industrial e a súa capacidade para mellorar substancialmente a eficiencia dos procesos.

A maior parte da enerxía que se utiliza en sectores como alimentación, papel, siderurxia ou química, entre moitas outras, é en forma de calor e supón máis do 50% de consumo mundial de calor. O problema é que unha vez se utiliza esta enerxía térmica, entre o 20% e o 50% refúgase en forma de calor residual. A principal razón reside en que non se desenvolveron os medios para capturar esta enerxía e volvela a introducir no proceso, evitando o consumo enerxético asociado a unha nova xeración de calor. Neste sentido, o almacenamento térmico pode xogar un papel importante, dado que existen tecnoloxías que son capaces de almacenar calor ata temperaturas incluso por riba de 1300ºC, a un custo razonable, para a súa utilización a demanda. Os acumuladores rexenerativos son un bo exemplo deste tipo de aplicacións, como xa se comentou.

Non me cabe dúbida que a almacenaxe térmica será unha das protagonistas da descarbonización, porque ten un valor diferencial respecto ao resto das tecnoloxías de almacenamento, e é que se trata dunha tecnoloxía de baixo custo, con aínda moito recorrido de mellora.

Tanto para grandes necesidades de almacenaxe masivo en rede como pequenas cantidades para uso doméstico, a súa principal ventaxa é que se trata dunha tecnoloxía simple con moi baixos ratios de inversión e comportamento fiable e duradeiro. Nunha futura rede constituída principalmente por fontes de enerxía renovable, é moi posible que convivan múltiples tecnoloxías de almacenamento e, sen dúbida, unha delas será o almacenamento térmico.

CIC energiGUNE constitúe unha das institucións que máis invertiu na investigación sobre tecnoloxías de almacenamento térmico, ata o punto que representa un centro de referencia a nivel europeo. O equipo investigador de CIC energiGUNE publicou máis de 200 publicacións científicas no campo e liderou a posta en marcha de varios demostradores industriais.

Co foco no desarroio de solucións de almacenamento térmico para a industria e sendo conscientes de que o coste da tecnoloxía supoñía un freno á súa implementación, CIC energiGUNE foi un dos centros pioneiros na construcción de sistemas de almacenamento térmico que utilizan residuos sólidos como material de almacenaxe, contribuíndo tamén desta maneira á economía circular.

Hoxe en día, co incremento do prezo dos combustibles fósiles, as enerxías renovables e a eficiencia enerxética van a convertirse, por necesidade, en prioridades industriais e as solucións de almacenamento térmico de CICenergiGUNE están listas para asumir o desafío.

De feito, como o mundo cambia a velocidade de vertixe, CIC energiGUNE xa está traballando en sistemas de almacenamento de segunda xeración, que utilizan materiais de cambio de fase, e incluso de terceira xeración, onde o calor se almacena en forma de reaccións químicas reversibles, ambas con capacidade de almacenamento moi superiores ás de calor sensible.