Cada vez se produce más electricidad procedente de fuentes renovables como la solar o la eólica, lo que hace necesario un sistema que sea capaz de almacenar y producir el excedente de 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.
Se trata de las baterías termofotovoltaicas de calor latente: un sistema que podría almacenar grandes cantidades de electricidad renovable durante largos periodos de tiempo y proporcionar calor y electricidad bajo demanda. Además, el coste por capacidad de almacenamiento de energía de este sistema puede ser inferior a 10 €/kWh a gran escala.
Un sistema eficaz y económico
La disponibilidad de tecnologías rentables que sean capaces de almacenar energía desde diez horas a varios días es clave para que las fuentes de energía renovables denominadas variables o intermitentes (como la solar o eólica) se conviertan en los principales contribuyentes a la generación de electricidad.
En los próximos años, se espera que los precios de las baterías sigan siendo altos y se necesitan fuentes de almacenamiento económicas y rentables.
Incluso si hay una penalización en la eficiencia al convertir el calor nuevamente en electricidad, conseguir almacenamiento de calor a bajo coste es una gran ventaja, especialmente porque esta conversión no siempre es necesaria, ya que “el calor representa alrededor del 50 % de la demanda mundial de energía”, según el IES-UPM.
Las baterías termofotovoltaicas de calor latente permiten un costo mucho menor que las baterías electroquímicas de última generación y pueden proporcionar tanto calor como electricidad según la demanda, “lo que las hace atractivas para el almacenamiento de energía de larga duración a escala de red y la cogeneración gestionable distribuida” como explica la publicación especializada Joule sobre las investigaciones del IES-UPM.
El sistema utiliza la energía excedente que se genera a partir de energías renovables intermitentes para fundir metales como el silicio o las aleaciones de ferrosilicio, a temperaturas superiores a los 1.000 ºC. Las aleaciones de silicio pueden almacenar grandes cantidades de energía durante su proceso de fusión, y a 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 de las claves del sistema de las baterías termofotovoltaicas es la forma en que el calor almacenado se convierte en electricidad: “cuando el silicio se funde a más de 1000 ºC brilla como el sol. Por lo tanto, es posible volver a convertir el calor irradiado en electricidad utilizando células fotovoltaicas”, aseveran los investigadores.
Thermophotovoltaic batteries could store large amounts of renewable electricity https://t.co/8rydkGmGG8 pic.twitter.com/VHqCHT16wh
— Robin Whitlock 🇪🇺 (@RobinWhitlock66) March 22, 2022
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 %”, reza el estudio.
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.
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.
Sin embargo, según el estudio, sería posible alcanzar costes en torno a los 10 euros/kWh si el sistema es suficientemente grande, ya que "el coste del aislamiento térmico sería una pequeña fracción del coste total del sistema".
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 como culminación a más de una década de investigaciones en el IES-UPM.
Sin embargo, esta tecnología todavía necesita más inversión antes de que pueda llegar al mercado. Y es que 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.
El próximo desafío para los investigadores será escalar la tecnología y probar su viabilidad. Para ello, el IES-UPM ya están formando el equipo que lo hará posible.
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