Tecnología

Tegnologías y materiales más baratos y eficientes podrían pronto eclipsar el rápido ascenso de los sistemas de almacenamiento de dos tanques de sales fundidas.

Por Emma Clarke en Londres

Puede que exista una escasez de plantas CSP que cuenten con almacenamiento de energía termal, sin embargo, no ocurre lo mismo en cuanto a la experimentación de nuevas formas de este tipo de tecnología. El reto está en conseguir que estos sistemas eficaces y de bajo coste puedan ser aplicados de una forma comercial.

Hasta el momento la tecnología de almacenamiento térmico más avanzada es la del sistema de tanques que usa sales fundidas como medio de almacenamiento.

El sistema indirecto de dos tanques es el utilizado por las plantas cilindro-parabólicas Andasol 1-3 de 50MW en el sur de España, y planea ser utilizado por Abengoa Solar en su planta de 280MW Solana en Arizona.

En este tipo de sistemas las sales fundidas son almacenadas en dos tanques; uno caliente, y otro frío. Las sales son calentadas por un intercambiador de calor en su camino hacia el tanque caliente de almacenamiento. En el momento en el que se necesita recuperar la energía térmica, las sales pasan otra vez por el intercambiador de calor transfiriendo calor a un aceite que alcanza temperaturas justo por debajo de 400°C.

En una versión similar, el sistema directo de dos tanques, las sales fundidas son utilizadas tanto para el almacenamiento como para la transferencia de calor. Esto implica almacenamiento directo y hace que se puedan alcanzar temperaturas más altas y eliminar los costes debidos a los intercambiadores de calor.

Torresol está implantando un sistema directo de dos tanques para su planta de torre central Gemasolar de 50MW. El sistema, diseñado por SENER, es capaz de alcanzar temperaturas por encima de 500°C.

SolarReserve también planea usar un sistema directo de sales fundidas de dos tanques, fabricado por United Technologies, en sus plantas solares de torre.

La tecnología de sales fundidas ha sido probada y es bien entendida. No obstante, presenta algunas desventajas como el alto punto de congelación de las sales y sus elevados costes de inversión. Las sales fundidas incluyen sales de nitrato, un producto sujeto a cierta volatilidad de precios en el mercado.

Algunos estudios sugieren que el coste de almacenamiento por sales fundidas alcanzaría los US$30-$40/kWh, dependiendo del tamaño de almacenamiento del sistema. Sin embargo, según Tom Mancini, Director de Programa CSP para Sandia National Laboratories, las cifras de precios actuales para sales fundidas podrían ser una representación no del todo fiable.

Hay también que tener en cuenta la existencia de otras alternativas tecnológicas, aunque éstas todavía se encuentran en fase de investigación o a la búsqueda de mercado.

Un tanque

Otra opción es la constituida por un sistema de almacenamiento de un sólo tanque thermocline; un tanque con una zona caliente en su parte superior, una zona de transición en la parte intermedia y una zona fría en la parte inferior.

Los sistemas de un sólo tanque con sales fundidas pueden reducir considerablemente el coste de almacenamiento reemplazando parte de las sales por materiales más baratos como cuarcita y arena. SunLab estima el coste de un sistema thermocline con cuarcita en torno a US$20/kWh.

Según Mancini, uno de los muchos problemas aún por resolver está en como eliminar calor del sistema sin destruirlo, provocando que la zona thermocline se expanda y ocupe todo el tanque.

Sandia National Laboratories (SNL) desarrolló un sistema de almacenamiento thermocline de 2.5-MWhr con sales fundidas, cuarcita y arena hace 10 años, según afirma Mancini. El organismo americano National Renewable Energy Laboratory (NREL) y SNL están, en estos momentos, analizando costes y realizando estudios de rendimiento para sistemas thermocline.
 
Hormigón

Otra alternativa sería el uso de materiales sólidos para el almacenamiento térmico. La compañía de ingeniería civil alemana, Ed. Züblin y el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han desarrollado un sistema para plantas cilindro-parabólicas que utiliza hormigón como medio de almacenamiento térmico.

En este sistema, el medio de transferencia calentado (aceite, agua o vapor) pasa a través de tuberías incrustadas en el hormigón para calentarlo. Con el fin de desprender energía térmica el fluido transmisor fluye frío a través del hormigón, en la dirección opuesta, al mismo tiempo que se calienta. Este sistema alcanza temperaturas de hasta 400°C.

Züblin y DLR han probado de forma satisfactoria un módulo de hormigón de 20m3 en Stuttgart usando aceite térmico como medio de transferencia. Otra instalación de prueba, actualmente en funcionamiento en España, probará la generación directa de vapor.

La ventaja principal consiste en que el hormigón es mucho más barato que las sales. No obstante, el material necesario, incluyendo los tubos, añade costes al sistema. Lo cual implica que para una planta del tamaño de  Andasol, este tipo de tecnología es sólo un poco más barata, según afirma el ingeniero de Züblin, Carsten Bahl.

Sin embargo, los costes si se rebajan considerablemente en plantas más pequeñas de alrededor de 10MW, dado que esta tecnología puede utilizarse en varios tamaños, al contrario que los sistemas de dos tanques.

Un problema potencial de esta tecnología consiste en la forma de añadir y eliminar calor de forma rápida, dice Mancini. Estos sistemas pueden funcionar desde un punto de vista técnico pero hacer que sean eficientes desde el punto de vista de los costes es otro tema, añade Mancini.

Bahl, por otra parte, sigue confiando en que con algo más de trabajo, el diseño de estos sistemas pueda optimizarse para la reducción de costes.

Guijarros y aire

La compañía británica HelioDynamics está buscando socios para el desarrollo de dos nuevos sistemas de almacenamiento térmico: uno de ellos proporcionando más efectividad desde el punto de vista de los costes que las sales fundidas y el otro otorgando más eficiencia.

El primer sistema utiliza una gran masa de arena en la que se intercalan tubos finos y baratos que transfieren calor a la arena para su almacenamiento. Manteniendo el aceite dentro de los tubos de acero se consigue la estabilidad del aceite a largo plazo.
 
“En este sistema se necesita una gran cantidad de arena (el doble de la cantidad de sales fundidas que se necesitaría) pero sigue siendo considerablemente más barato, ecológico y seguro, ya que los escapes sólo pueden ser pequeños,” afirma Graham Ford, CEO de HelioDynamics.

El reto está en las conexiones a ambos extremos de los tubos de acero. “Pero esto es totalmente factible,” añade Ford. HelioDynamics afirma que se pueden alcanzar costes inferiores a US$ 14/kWh.

El segundo tipo de tecnología consiste en un sistema thermocline usando guijarros de basalto y gas argon como medio transmisor. Mediante este sistema se pueden almacenar temperaturas de alrededor de 550-600°C, las cuales están por encima de las alcanzadas en los sistemas cilindro-parabólicos pero podrían ser útiles en plantas solares de torre o los sistemas de alta temperatura lineales Fresnel HDX de HelioDynamics.

“Con esta tecnología se puede trabajar a temperaturas mayores, de hasta 1000°C, y operar una turbina de gas. El mercado no se ha desarrollado tanto pero es una posibilidad a tener en cuenta,” añade Ford.

Materiales de cambio de fase

Otra opción la presentan los materiales de cambio de fase (PCMs), que pueden absorber o desprender calor cuando cambian de fase sólida a fase líquida y viceversa.
 
“Existe un gran beneficio en densidad de energía en los materiales de cambio de fase,” opina Mancini. El problema consiste, de nuevo, en la forma de añadir o eliminar calor de estos materiales a la velocidad necesaria.

En el 2008, el programa del departamento de energía americano SETP (Solar Energy Technologies Program) anunció la concesión de financiación para la investigación y demostración de una serie de tecnologías incluyendo: materiales de cambio de fase, sales fundidas y hormigón. El objetivo de este programa consiste en reducir el coste de energía termal a menos de $15/kW.

Técnicamente es posible pero conseguir que estos sistemas funcionen a gran escala en plantas de demostración o comerciales no será fácil.

“La industria está dirigida por una comunidad financiera conservadora, por lo que es difícil que estos proyectos vean la luz, a menos que sean apoyados por un instituto gubernamental que cuente con fondos importantes y esté dispuesto a invertir 20 años de trabajo en el proyecto,” opina Ford.

Como añade Mancini: “Los gobiernos tienen que tomar el liderazgo en la toma de decisión de las tecnologías más apropiadas.”

Hasta que esto no ocurra y hasta que el mercado no opte por el desarrollo de nuevas formas de almacenamiento más baratas, las sales fundidas dominarán el sector. “Debido a la dirección que la industria está tomando, las sales fundidas son probablemente los únicos sistemas a tener en cuenta en estos momentos,” opina Mancini.

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