Universidad
Politécnica de Madrid

21.03.2022

Los precios del gas natural están disparados por todo el mundo y han llevado a precios récord de electricidad y calefacción. Por otro lado, el auge de las fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica, está creando un nuevo paradigma en el sector energético: cada vez se produce más electricidad cuando no hay demanda. Y esto está ocasionando que gran parte de esta electricidad se pierda. En esta situación, puede parecer lógico aprovechar esa electricidad renovable excedente para producir calor y electricidad cuando sea necesario. Sin embargo, nos enfrentamos a un problema tecnológico: carecemos de un sistema que sea capaz de almacenar y producir esta energía bajo demanda de forma económica.

Investigadores del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM) han encontrado una posible solución: un sistema que podría almacenar grandes cantidades de electricidad renovable durante largos periodos de tiempo de forma muy económica y proporcionar calor y electricidad bajo demanda.

Vista del interior de una batería termofotovoltaica de calor latente desarrollada en el Proyecto AMADEUS y disponible en el IES-UPM. Fuente: IES-UPM.

El sistema, descrito en un artículo publicado recientemente en Joule, utiliza la generación excedente a partir de energías renovables intermitentes, como la solar o la eólica, para fundir metales baratos, como el silicio o las aleaciones de ferrosilicio, a temperaturas superiores a los 1.000ºC. Las aleaciones de silicio pueden almacenar grandes cantidades de energía durante su proceso de fusión. Este tipo de energía se llama “calor latente”. Por ejemplo, un litro de silicio almacena más de 1 kWh de energía en forma de calor latente, que es precisamente la cantidad de energía que contiene un litro de hidrógeno presurizado a 500 bar. Sin embargo, a diferencia del hidrógeno, el silicio se puede almacenar a presión atmosférica, lo que hace que el sistema sea potencialmente más económico y seguro.

Una clave del sistema se refiere a la forma en que el calor almacenado se convierte en electricidad. Cuando el silicio se funde a más de 1000ºC brilla como el sol. Por lo tanto, es posible volver a convertir el calor irradiado en electricidad utilizando células fotovoltaicas. Los llamados generadores termofotovoltaicos son como instalaciones fotovoltaicas en miniatura que pueden producir hasta 100 veces más potencia que una planta de energía solar convencional. En otras palabras: si un metro cuadrado de panel solar produce 200 W, un metro cuadrado de panel termofotovoltaico produce 20 kW. Y no solo la potencia, sino que la eficiencia de conversión también es mayor. La eficiencia de las células termofotovoltaicas oscila entre el 30 y el 40% en función de la temperatura de la fuente de calor. Comparativamente, los paneles solares fotovoltaicos comerciales tienen eficiencias de entre el 15% y el 20%. El uso de generadores termofotovoltaicos, en lugar de motores térmicos convencionales (como los ciclos Stirling, Brayton o Rankine), evita el uso de partes móviles, fluidos o intercambiadores de calor complejos. De esta forma, todo el sistema puede hacerse económico, compacto y silencioso.

Según el estudio, las baterías termofotovoltaicas de calor latente podrían almacenar grandes cantidades de excedentes de electricidad renovable. “Gran parte de esta electricidad se producirá cuando no haya demanda, por lo que se venderá muy barata en el mercado eléctrico”, señala Alejandro Datas, investigador del IES-UPM que lidera el proyecto. “Por tanto, es fundamental almacenar esta electricidad en un sistema muy barato, ya que no tendría sentido almacenar algo tan barato en una caja muy cara. Por eso, almacenar electricidad excedente en forma de calor tiene mucho sentido, ya que es una de las formas más baratas de almacenar energía”, continúa el investigador. En particular, las aleaciones de silicio y ferrosilicio pueden almacenar energía a un costo de menos de 4 € por kWh, que es 100 veces más barato que las actuales baterías estacionarias de iones de litio. El coste total será mayor tras incorporar el contenedor y el aislamiento térmico. Pero, según el estudio, sería posible alcanzar costes en torno a los 10 € por kWh si el sistema es suficientemente grande, típicamente más de 10 MWh, ya que el coste del aislamiento térmico sería una pequeña fracción del coste total del sistema.

El hecho de que solo una fracción del calor almacenado se convierta nuevamente en electricidad no es necesariamente un problema. Si el sistema es lo suficientemente barato, bastaría con recuperar solo el 30-40% de la energía en forma de electricidad para que sean preferibles a otras tecnologías más caras, como las baterías de iones de litio. Además, el 60-70% restante del calor que no se convierte en electricidad puede entregarse directamente a edificios, fábricas o ciudades, lo que reduciría su consumo de gas natural. El calor representa más del 50% de la demanda mundial de energía y el 40% de las emisiones mundiales de CO2. De este modo, el almacenamiento de energía eólica o fotovoltaica en baterías termofotovoltaicas de calor latente no solo permitiría un ahorro sustancial de costes, sino que también satisfaría parte de esta gran demanda de calor a través de fuentes renovables. Por tanto, “desarrollar este tipo de sistemas puede ser clave para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, no solo en el sector eléctrico, sino también en el térmico”, concluye Datas.

El primer prototipo a escala de laboratorio del sistema que se ha fabricado en el marco de un proyecto europeo (AMADEUS) ya está disponible en el IES-UPM, y en dicho estudio se han publicado los primeros resultados experimentales. Esta es la culminación de más de 10 años de investigación en el IES-UPM. Sin embargo, la tecnología todavía necesita mucha inversión antes de que pueda llegar al mercado. Por ejemplo, el prototipo de laboratorio actual tiene menos de 1 kWh de capacidad de almacenamiento, pero se necesitan capacidades de almacenamiento de energía de más de 10 MWh para que esta tecnología sea rentable. Por lo tanto, el próximo desafío es escalar la tecnología y probar su viabilidad a gran escala. Para ello, los investigadores del IES-UPM ya están formando el equipo que lo hará posible.