Científicos buscan los 2000 °C de almacenamiento térmico antes de 2019
Los investigadores europeos esperan que su nuevo sistema compacto de almacenamiento a alta temperatura con base de silicona reduzca los costes de instalación de la CSP con torre y disminuya los costes de mantenimiento al eliminar los fluidos de transferencia de calor.
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El almacenamiento térmico (TES, por sus siglas en inglés) se ha convertido en un activo clave para los promotores de CSP que buscan potenciar las ventajas de los costes sobre otras fuentes renovables con periodos de distribución más prolongados. Unos 15 de los 17 proyectos de CSP a escala comercial que se están construyendo actualmente en el mundo integran el TES, según los datos del CSP Today Global Tracker.
Los promotores de CSP deberán seguir disminuyendo los costes de almacenamiento para competir contra la generación por gas y la caída de los costes de la fotovoltaica con sistemas de batería.
Los sistemas de TES representan desde un 10 % a un 20 % de los costes de la central de CSP, según la tecnología y la capacidad de la central. La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA, por sus siglas en inglés) ha previsto que la aparición de sistemas con mayor temperatura y diseños más eficientes reducirán los costes de almacenamiento de los sistemas cilíndrico-parabólicos un 38 % hasta los 26 $/kWh térmicos en 2025, mientras que los costes de almacenamiento solar de torre caerán un 17 % hasta los 22 $/kWh. Los investigadores estadounidenses predicen una reducción de los costes más acelerada: la iniciativa SunShot del Departamento de Energía persigue un coste de TES de 15 $/kWh antes de 2020.
Los expertos advierten de que la eficiencia del TES con sales fundidas se ve limitada por la temperatura de trabajo. Por lo general los sistemas de almacenamiento de CSP de torre con sales fundidas no permiten superar los 600 °C y algunos investigadores ensayan con otros medios de almacenamiento para lograr tasas de eficiencia mayores.
Un proyecto nuevo de investigación financiado por la UE trata de aumentar las temperaturas de trabajo hasta los 2000 °C integrando unos dispositivos de almacenamiento energético compacto que utilizan la silicio y los convertidores de calor en energía de estado sólido.
El proyecto Amadeus, dirigido por el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), podría lograr una densidad energética de almacenamiento más de diez veces superior a la de los sistemas de sales fundidas, según contó Alejandro Datas, investigador científico de la UPM, a New Energy Update.
Las temperaturas ultraaltas harán que el proceso de transferencia de calor pase de ser de conducción o convección a radiación (por resplandor), aseguró Datas.
“Por lo tanto, podemos eliminar los fluidos de transferencia de calor y sustituir los motores convencionales de calor por convertidores de estado sólido más sencillos y rentables, como puedan ser las células fotovoltáicas sensibles a los infrarrojos, las cuals no requieren trabaajr con fluidos o con partes móviles”, dijo.
Los investigadores de la UPM esperan que su TES con base de silicio reduzca los gastos de capital por ser de menor tamaño, emplear menos materiales y requerir menos mano de obra para su instalación que los diseños actuales.
El silicio y los materiales de aleación con base de silicio costarían por debajo de los cino euros/kWhth (5,9 $/kWhth), mientras que el coste estimado del convertidor fotovoltaico está por debajo de 1 euro/Watt, explicó Datas.
“También esperamos disminuir los costes de mantenimiento, prinicipalmente debido a la ausencia de fluidos de transferencia de calor y partes móviles, dijo.
Costes indicativos de almacenamiento térmico según el tipo de central de CSP
Super silicio
El proyecto Amadeus, que dispone de un presupuesto de 3,3 millones de euros y en él participan ocho centros de investigación europeos. El proyecto a tres años estará en marcha hasta 2019.
Los ensayos se centran en los sistemas de torre y los sistemas de disco, como el cilíndrico-parabólico, no producen la suficiente concentración de luz solar para temperaturas tan altas.
El proyecto se centrará en el silicio y las aleaciones de silicio con boro como materiales de almacenamiento. El silicio tiene un nivel de calor latente (energía requerida para cambiar de estado) de 1230 kWh/m3, mientras que las aleaciones de silicio y boro llegan a 2680 kWh/m3, según ha destacado Datas.
“Estas son las densidades más altas entre las actuales opciones de almacenamiento energético, solo superadas por el hidrógeno líquido y otros tipos de combuistible como la gasolina”, dijo.
El silicio es demás el segundo elemento más abundante de la corteza terrestre y cuesta menos de 2 $/Kg.
Uno de los principales retos a los que se enfrentan los investigadores es el desarrollo de materiales de cambio de fase que limiten la expansión volumétrica tras la solidificación, una característica del silicio puro.
Los investigadores han encontrado que, cuando se utiliza en cantidades pequeñas, el boro mejora las propiedades del silicio al minimizar la expansión volumétrica, aumentar el calor latente y reducir el punto de fusión, dijo Datas.
Los sistemas de almacenamiento que emplean 50 litros de silicio pueden almacenar la misma cantidad de calor que 500 litros de sales fundidas, aseguró.
Entre otros desafíos del proyecto está el desarrollo de nuevos revestimientos refractarios para las paredes del contenedor que garanticen una fiabilidad a largo plazo y una baja reactividad a altas temperaturas.
El salto al mercado
El primer prototipo de TES con base de silicio se fabrica en las instalaciones del Instituto de Energía Solar de la UPM y está previsto para 2019.
“Construiremos un prototipo pequeño a escala de laboratorio de unos pocos litros de materiales de cambio de fase y menos de 10 kWht de capacidad de almacenamiento. Este prototipo de laboratorio se utilizará como unidad de banco de pruebas para los distintos materiales y dispositivos que se están desarrollando en el marco del proyecto Amadeus”, afirmó Datas.
“Podría llevarse a cabo un análisis en profundidad [del coste medio teórico de la energía] una vez se haya procedido con una caracterización experimental exhaustiva, lo más probable es que sea al final del proyecto [diciembre de 2019]”, dijo.
De forma paralela, un grupo de investigadores de la UPM han lanzado una empresa segregada, Silstore, para comercializar la tecnología. Silstore planea construir prototipos de mayor tamaño que se centren en las aplicaciones finales.
“Actualmente buscamos socios comerciales... Con un apoyo financiero adecuado, podríamos construir los primeros prototipos comerciales antes de 2019 y poner los primeros sistemas en funcionamiento en 2020”, concluyó Datas.
Por Heba Hashem
Traducido por Vicente Abella