Y es que, en este proceso de transición energética hacia un uso generalizado de las energías renovables frente a los combustibles fósiles, el almacenamiento térmico tiene un papel primordial.

No solo porque permite superar el escollo de la intermitencia a la que están sujetas fuentes de energía como la eólica o la solar, o el desfase entre producción y demanda de energía, sino también porque es el responsable de la optimización de la gestión energética en ámbitos como la producción eléctrica en centrales de concentración solar o el aprovechamiento del calor residual en procesos industriales.

El principal valor del almacenamiento térmico reside en su capacidad de almacenar grandes cantidades de energía a un relativo bajo coste y en sectores tan diversos como el de la calefacción y refrigeración de viviendas y edificios, en procesos de calor o frío industrial, e, incluso, como complemento al almacenamiento masivo de energía para la red eléctrica.

Tipos de almacenamiento térmico en función de la tecnología

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES) pueden almacenar calor o frío para ser utilizados posteriormente bajo condiciones variables como la temperatura, la ubicación (cuando se transporta) o la potencia.

En estos sistemas, la energía realiza un ciclo completo basado en la carga, el almacenamiento y la descarga energética, y deben cumplir una serie de requisitos como que el material de almacenamiento tenga una alta densidad de energía, una buena conductividad térmica, estabilidad química y mecánica, reversibilidad completa de los ciclos y bajas pérdidas térmicas durante el periodo de almacenamiento.

La energía térmica de estos sistemas puede ser almacenada de tres maneras: mediante el aprovechamiento del calor sensible de los cuerpos, a través del calor latente al cambiar de una fase a otra, o por medio de la energía involucrada en una reacción química.

Sistemas de almacenamiento de calor sensible

Los denominados sistemas de almacenamiento de calor sensible, se basan en la variación de la energía interna de un material mediante un cambio en su temperatura. Se utiliza calor para aumentar la temperatura de un sólido o fluido que se almacena a la temperatura máxima de funcionamiento hasta que entra en la fase de descarga.

Se utilizan fluidos de transferencia como el aire, el aceite, y materiales de almacenamiento como sales fundidas,  rocas,  hormigón… Para seleccionarlos, se tienen en cuenta propiedades como la densidad del material, el calor específico, o la conductividad, entre otros.

Uno los líquidos más empleados para el almacenamiento de calor sensible a temperaturas medias-bajas es el agua que, , se puede utilizar para producción de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción o climatización, utilizando tanques para su almacenaje.

El almacenamiento de calor sensible a altas temperaturas está muy extendido en aplicaciones industriales y comerciales dada su eficacia y simplicidad. Buen ejemplo de su grado de madurez y expansión son las centrales termosolares o las centrales de concentración solar (CSP), donde se utilizan, principalmente, sistemas de doble tanque con sales fundidas.

Este tipo de centrales, basan su funcionamiento en la concentración de la radiación solar mediante una serie de espejos que actúan como sistemas de concentración, y pueden ser de tipo cilindro parabólico, torre central, linear Fresnel o disco parabólico. Un fluido de transferencia de calor (HTF) será el encargado de absorber ese calor y transportar la radiación concentrada hasta un sistema de almacenaje, para posteriormente convertir ese calor en electricidad cuando sea requerido.

A pesar de su probada efectividad, las centrales de concentración solar se enfrentan al reto de reducir sus costes. En este sentido, los desarrolladores de CSP están apostando por que las centrales operen a mayores temperaturas que las máximas actuales (565 ºC), lo que permitiría mejorar la eficiencia en el proceso de conversión de calor en electricidad.

Para ello, se están investigando materiales de alta temperatura que además sean rentables como sistemas de almacenamiento de nueva generación, como las sales ternarias, el CO₂ supercrítico o el aire como fluido de transferencia de calor.

Sistemas de almacenamiento de calor latente

Como segundo tipo de almacenamiento de energía térmica podemos identificar el almacenamiento de calor latente. En este caso, el calor se utiliza para inducir un cambio de fase en el material de almacenamiento: solidificación, evaporación, condensación o sublimación.

Los materiales utilizados en este tipo de almacenamiento son los llamados materiales de cambio de fase o PCM por sus siglas en inglés, y aunque hay algunos tan comunes como el agua (utilizada como hielo para el almacenamiento en frío desde tiempos ancestrales), existen muy pocos materiales o aplicaciones que hayan llegado al mercado.

Y es que, aunque el almacenamiento de calor latente tiene una mayor densidad de energía que el almacenamiento de calor sensible, este tipo de almacenamiento tiene algunas limitaciones en cuanto a la separación de fases, la corrosión, la estabilidad a largo plazo, su baja conductividad térmica o el coste elevado de los PCM.

Sistemas de almacenamiento termoquímico

A diferencia de los otros dos tipos de almacenamiento de calor, el almacenamiento mediante reacciones químicas se basa en la variación interna del material de almacenamiento. En el almacenamiento termoquímico se absorbe el calor producido a partir de una reacción química reversible, produciéndose una reacción endotérmica cuando absorbe energía térmica y exotérmica con la descarga.

Los sistemas de almacenamiento termoquímicos tienen numerosas ventajas frente a los otros tipos de almacenamiento térmico: una mayor densidad energética (hasta 10 veces superior al almacenamiento térmico sensible), la posibilidad de almacenamiento a temperatura ambiente, el almacenamiento a largo plazo, la facilidad de transporte…

Sin embargo, este tipo de almacenamiento se encuentra aún en una fase preliminar de desarrollo debido a su compleja configuración, su coste y su escasa capacidad de transferencia de calor. De hecho, actualmente, los esfuerzos de los investigadores se están centrando en identificar materiales y sistemas que garanticen la reversibilidad y la ausencia de pérdidas de capacidad energética a lo largo de los numerosos ciclos de carga y descarga.

Hoy en día únicamente existen proyectos piloto (algunos de ellos con resultados muy prometedores) a escala de laboratorio o en una fase preindustrial. Lo que demuestra que esta tecnología aún se sitúa en un TRL (Technology Readiness Level) muy bajo, por lo que podemos considerar que pasarán bastantes años antes de que veamos el almacenamiento termoquímico aplicado en la industria.

Clasificación de sistemas de almacenamiento térmico en función del nivel de temperatura

Como ya hemos adelantado en los ejemplos de almacenamiento de calor sensible, las diferentes aplicaciones de los sistemas de almacenamiento térmico también pueden clasificarse en función del nivel de temperatura: baja, para aplicaciones de hasta 100-150 ºC; media, hasta alrededor de 300 ºC; y aplicaciones de almacenamiento térmico en altas temperaturas cuando alcanzan hasta los 1000 ºC.

Uno de los ejemplos más claros en cuanto a almacenamiento de energía térmica a baja temperatura es el almacenamiento subterráneo o UTES, también conocida como geotermia superficial. Y es que, dada la alta capacidad calorífica del suelo, así como sus propiedades como aislamiento térmico, este tipo de almacenamiento abre un gran rango de posibilidades en cuanto a ahorro energético o en la aplicación de energías renovables.

Un ejemplo que ya se encuentra en fase comercial es el almacenamiento de energía térmica en acuíferos; sistema que se encarga de bombear agua subterránea de pozos calientes en invierno para calentar un edificio o, al contrario, bombea agua de los pozos fríos para refrigerar una vivienda en verano.

Aplicaciones de almacenamiento térmico a altas temperaturas

Las investigaciones que llevamos a cabo en CIC energiGUNE se centran principalmente (aunque no exclusivamente) en aplicaciones con temperaturas por encima de los 300ºC.

De hecho, contamos con un laboratorio de prototipado y testeo térmico que nos permite reproducir las condiciones reales de este tipo de aplicaciones en un ambiente controlado y seguro. Se trata de un lazo de aire y otro de aceite (además de un lazo de vapor que está en construcción) que soportan temperaturas desde los 400ºC a los 800ºC, y que facilitan la validación, a una escala relevante, de nuevos productos, sistemas o componentes.

Además de las centrales termosolares o de concentración solar (CSP) que ya hemos mencionado, en este rango de temperatura se encuentran otros sistemas como el almacenamiento de energía mediante aire comprimido (conocido como CAES). Este sistema aprovecha el excedente de energía proveniente de la red para generar energía por medio de una fase de compresión del aire y su posterior expansión a través de una turbina. Si, además, se le incorpora un sistema de almacenamiento térmico para almacenar el calor generado durante el proceso, conseguiremos mejorar la eficiencia de todo el sistema.

Sin embargo, no se trata de una aplicación muy explotada a nivel industrial dada su reducida viabilidad económica.

No ocurre así con la que es considerada una de las herramientas más potentes en cuanto a eficiencia energética del sector industrial: los sistemas de recuperación de calor residual industrial (IWHR por sus siglas en inglés).

Y es que, si hablamos de transición energética y de la necesidad de apostar por energías renovables, tan importante es que esa producción sea sostenible como que la gestión de la misma sea la adecuada. Más aún cuando hablamos de uno de los mayores consumidores de energía, como es el caso de la industria, con casi un 35% del consumo total.

Industrias como la siderurgia, la cementera, la vidriera, la forja o la fundición, grandes consumidoras de energía a altas temperaturas, son las perfectas candidatas para los sistemas de recuperación de calor residual, ya que se estima que, en la mayoría de sus procesos, pierden entre el 20 y el 50% de energía como calor residual en forma de gases de escape, en procesos de combustión química, enfriamiento de agua, etc.

Pero si, además de recuperar ese excedente de energía en forma de calor, se implanta un sistema de almacenamiento para reaprovecharla, se puede obtener una enorme reducción del suministro de energía primaria, junto con la evidente reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

De hecho, un sistema de almacenamiento térmico en la industria permite el desacoplamiento de la fuente de calor (que suele ser intermitente) de su suministro, consiguiendo un aprovechamiento de la energía bajo demanda, y permitiendo reutilizarlo regulando factores como la temperatura y/o la potencia.

Esto demuestra el potencial que los sistemas de almacenamiento térmico aportan a la eficiencia energética de la industria, y la Unión Europea ha tomado cuenta de ello financiando numerosos proyectos y programas.

Proyectos de investigación en almacenamiento térmico

Uno de ellos es ReSlag. Este proyecto europeo liderado por CIC energiGUNE y enmarcado dentro de la iniciativa Horizonte 2020, tenía como uno de los objetivos investigar la aplicabilidad de la escoria de acería como material de almacenamiento para aplicaciones de recuperación de calor dentro de la propia acería (en particular del horno de arco eléctrico). El proyecto permitió culminar con la construcción de un prototipo demostrador a escala 1/10 para las instalaciones de ArcelorMittal en Sestao (Bizkaia).

Colaboradores del proyecto como DLR y ENEA, además, estudiaron el comportamiento de la escoria para ser aprovechado como material para el almacenamiento térmico en centrales termo-solares, tanto en las de nueva generación (que trabajan con aire) como en las tradicionales (con sales fundidas).

Por su parte, el proyecto ECOSLAG tiene como objetivo la investigación de soluciones que permitan recuperar el calor de la propia escoria en procesos en los que, actualmente, ésta se desperdicia.

Los diferentes colaboradores del proyecto están trabajando con acerías de Alemania, Italia y Suecia, mientras que en CIC energiGUNE, hemos desarrollado un nuevo concepto de recuperación de calor de la escoria fundida empleando un intercambiador embebido en el suelo del escoriero de Sidenor en Basauri (Bizkaia).

A pesar de los avances que se han obtenido en los últimos años en los sistemas de recuperación de calor industrial, aún existen amplios márgenes de mejora, por lo que en CIC energiGUNE seguimos investigando tanto en el desarrollo de nuevos materiales como en nuevas soluciones tecnológicas que permitan plantear escenarios viables de aprovechamiento energético.

Investigaciones en almacenamiento térmico en proceso

Es más, en CIC energiGUNE, además de investigar sobre aplicaciones para procesos industriales, trabajamos en soluciones de almacenamiento térmico para aplicaciones a gran escala y para una mejor gestión térmica.

Para ello, en lo que se refiere a las centrales de concentración solar (englobados en el apartado de aplicaciones a gran escala), contamos con el consejo y la colaboración de nuestro patrono SENER (líder del mercado a nivel mundial).

Uno de los hitos de CIC energiGUNE relacionados con las CSP es un novedoso sistema de almacenamiento basado en lechos porosos de magnetita que hemos implantado en una planta de demostración en Ben Guerir (Marruecos) como alternativa a la tecnología de doble tanque de sales fundidas.

Por otro lado, junto con Iberdrola, líder indiscutible en producción, distribución y comercialización de energía, estamos explorando las aplicaciones conocidas como Power to Heat to Power. Sistemas que, partiendo del excedente de energía eléctrica de la red, produzcan calor para, posteriormente, volver a generar electricidad de acuerdo a la demanda energética del momento.

Por su parte, en el apartado de gestión térmica, destaca Thermlab; una reciente iniciativa de CIC energiGUNE que ofrece soluciones avanzadas de gestión térmica, que ayudan a la detección de anomalías y al desarrollo de tecnologías ad-hoc para industrias como la electrónica de potencia, los fabricantes de bienes de equipos eléctricos, las energías renovables o la automoción, entre otras.

Sectores como el de la construcción, en cambio, se benefician de investigaciones como las que llevamos a cabo con el proyecto NRG-Storage, que aspira a reemplazar los actuales materiales aislantes utilizados en las edificaciones por una novedosa espuma, que además de aislar eficientemente, permite un almacenamiento activo del calor.

Pero no podemos olvidarnos del proyecto que está permitiendo unir las áreas de electroquímica y térmica de CIC energiGUNE.

Se trata del trabajo conjunto entre Bcare, spin off de CIC energiGUNE especializada en el asesoramiento integral del estado de salud de baterías y condensadores, con el equipo de almacenamiento de energía térmica, por el que investigan la optimización de la gestión térmica de las baterías.

Almacenamiento de energía térmica: un gran candidato para la descarbonización

Es evidente que, en el contexto de una sociedad con una, cada vez mayor, dependencia energética, donde además hay una creciente preocupación por la protección del medio ambiente, es necesario realizar una gestión óptima de los recursos energéticos disponibles, así como continuar con la búsqueda de tecnologías energéticas alternativas.

Es aquí donde destaca el almacenamiento térmico, ya que ha demostrado su capacidad de almacenar grandes cantidades de energía a un coste razonable, mejorando la eficiencia del sistema y la gestionabilidad de la energía.

Sin embargo, aún queda un largo camino por recorrer. Un camino por el que avanzan paso a paso los investigadores en almacenamiento de energía y que nos permitirá alcanzar el ansiado objetivo de la descarbonización total de la economía de los ciudadanos europeos.

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