Almacenando calor

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La energía solar presenta una clara fluctuación diaria y una estacionalidad más o menos marcada según su ubicación geográfica, algo que le obliga a ser mas o menos productiva o incluso a efectuar paros diarios en su generación.

Este problema es especialmente grave en el caso de la energía solar térmica, ya que esta fluctuación podría suponer paros diarios en la producción que un proceso así no se puede permitir, razón por la que estos sistemas se hibridan habitualmente con combustibles fósiles no renovables que pueden suponer ratios de contribución superiores al 25% de la generación de las plantas.

La alternativa que surge  es la de almacenar el calor que se genera durante el día y utilizarlo durante la noche como alternativa de generación y mantenimiento del circuito, un principio al que muchas de las nuevas centrales termosolares implementadas en la última década se han adherido y que quizás sea una de las razones del nuevo impulso que han tenido en los últimos años determinados sistemas y líneas de investigación para el almacenamiento de energía térmica (calor), hasta ahora abandonadas debido a que siempre es más rentable y eficiente generar calor a partir de fuentes de energía primaria que almacenarlo.

¿Cómo podemos almacenar el calor?

El calor puede almacenarse de tres formas distintas, ya sea como calor sensible (incrementando la temperatura del medio elegido para luego almacenarlo caliente), como calor latente (haciendo que cambie de estado un material concreto), o utilizando el calor para favorecer una reacción química reversible de la que luego puede aprovecharse el calor desprendido en su inversa.

Hasta el momento han triunfado en el mercado los sistemas de almacenamiento en forma de calor sensible, gracias a un mayor control, conocimiento y escalabilidad de estos procesos.

Sin embargo en las centrales termosolares este tipo de almacenamiento no es viable directamente con el fluido térmico utilizado (Aceite térmico – HTF), compuesto por una mezcla de dos hidrocarburos aromáticos derivados del benceno (el bifenilo, al 26,5%, y el óxido difenílico, al 73,5%), debido a su elevada presión de vapor y una pobre densidad de almacenamiento térmico.

Para solventar este problema las centrales termosolares han buscado otros materiales para el almacenamiento térmico, tendiendo en la actualidad a la utilización de las conocidas como “sales solares”, una mezcla eutécnica de nitratos, que suele estar compuesta en un 60% por NaNO3 y en un 40% por KNO3.

Estas sales, en forma de sales fundidas que se hacen circular entre dos tanques intercambiando calor con el HTF mediante intercambiadores (sal-aceite), ofrecen una buena combinación de características, como son, una alta densidad, una baja presión de vapor, un calor específico moderado – alto, una relativamente baja reactividad química, y ante todo un muy bajo coste, ya que son materiales de alta disponibilidad (aunque sólo “llenar” el sistema con las aproximadamente 28.000 Tm de sales que lo forman puede salir ya por unos 20 millones de euros).

A futuro una de las tendencias podría ser la de eliminar el HTF como fluido de transferencia de calor, dado su rango de temperatura y la problemática que se da en su manejo, sustituyendo el mismo por el uso de sales solares en sistemas mejorados que permitan incrementar el campo solar, mejorar la eficiencia en el almacenamiento del calor, eliminar intercambios de calor intermedios y alcanzar mayores rendimientos de generación, algo que incrementaría considerablemente la competitividad de la tecnología termosolar.

Pero las sales fundidas no parece que sean la única alternativa ni la más ideal para el almacenamiento térmico, ya que siguen suponiendo un reto en su uso, con un coste elevado en la inversión inicial necesaria, y sin llegar a evitar la necesaria hibridación de la planta, y  por ello nuevas propuestas salen al mercado del almacenamiento térmico.

Una de estas propuestas está basada en el almacenamiento del calor como calor sensible en matrices estáticas sólidas, por las que se hace circular el fluido caliente para que se “carguen y descarguen” en función de las necesidades de la planta, evitando así la circulación del fluido entre dos almacenamientos (frio / caliente), y los caros sistemas que esto supone en cuanto a bombas, tuberías, intercambiadores, tanques e incluso traceados eléctricos.

Para esta alternativa se usan materiales con la mejor relación entre calor específico y densidad, que acepten elevados saltos térmicos y que presenten además un coste de inversión bajo…. y en esta vertiente parece que los “hormigones” podrían ser el futuro desde que el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), un pionero en estas tecnologías, empezase a demostrar la viabilidad de sus módulos de almacenamiento de 20 m3.

La idea es utilizar un hormigón de alta densidad, llamado así quizás más por su aspecto que por su propia composición, con cargas y agregados que le permitan tener una serie de propiedades interesantes como son un elevado calor específico (con mínimos de 0.85 KJ/kg.K, que además aumentan con la temperatura), una alta densidad (de 2200 kg/m3 o incluso superior), y conductividades térmicas de  hasta 1,5 W/m.K.

Más allá del almacenamiento como calor sensible, la otra alternativa es la que se da con los materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) en lo que con anterioridad se ha denominado como almacenamiento en forma de calor latente.

Y es que la energía que se consume en el cambio de fase, de sólido a líquido, o de líquido a gas, más conocida como calor latente de la materia, es superior a la que habitualmente es necesaria para elevar la temperatura de la misma, un fenómeno que en el caso de los materiales de cambio de fase (PCM) es aún más acentuado, y que se produce sin las problemáticas variaciones de temperatura que se dan en los almacenamientos como calor sensible.

El estado del arte en este tipo de materiales está mucho más desarrollado para aplicaciones de baja y media temperatura, pero actualmente ya se están estudiando diversos materiales para aplicaciones termosolares, entre los que se encuentran sales de fluoruros, cloruros, sulfatos o nitratos hidratadas,  o combinaciones de las mismas, que podrían dar una respuesta a este modo de almacenamiento.

En este sentido, si bien los materiales de cambio de fase presentan una densidad energética mayor que los sistemas vistos hasta el momento, presentan un problema crucial en su capacidad de transferencia térmica, dominada por el estado sólido del material, por lo que se ve bloqueada en el mismo proceso de enfriamiento, principal reto a solventar por esta tecnología para su escalado industrial.

Como última alternativa a lo expuesto hasta el momento, hablaremos del almacenamiento químico, en lo que se podría denominar como “pilas termoquímicas”, que lo que hacen es aprovechar la energía desprendida o acumulada en las reacciones químicas reversibles que se producen entre ciertos elementos.

Este almacenamiento se puede llevar a cabo de diversas formas, y en principio cualquier reacción exotérmica reversible podría ser objeto de desarrollo de un sistema de almacenamiento térmico,  siempre y cuando las condiciones termodinámicas y químicas del sistema así lo permitan.

Existen muchos estudios basados en la disociación térmica (termolisis) de un compuesto dado, la descarbonatación o la deshidratación de compuestos, basados todos ellos en, mediante el calor,  generar dos compuestos separados que pueden almacenarse para ser utilizados con posterioridad en una reacción reversible que vuelve a generar el primer compuesto original, liberando la energía acumulada.

El aprovechamiento de estos ciclos termoquímicos aportaría ventajas evidentes frente a los otros sistemas, como son una alta densidad de almacenamiento teórico de energía y la capacidad de hacerlo en el largo plazo, o incluso de transportar los componente de la reacción.

Queda ahora demostrar la estabilidad de estos sistemas y su escalabilidad a un formato industrial real, solventando los primeros problemas que se dan tanto en su conductividad térmica como en su escaso rendimiento en el almacenamiento o la inestabilidad en el uso de determinados compuestos.

En todo caso, resulta evidente que se abre un futuro esperanzador para la energía termosolar, con nuevas tecnologías que permitirán en muy pocos años almacenar y aprovechar la energía térmica que actualmente se desperdicia, sacando todo el potencial a nuestro sol.

Conoce más sobre esta temática en: La Calidad Ambiental.

http://ferfollos.blogspot.com.es/2015/07/almacenando-energia-i-guardando-el-calor.html

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