La ciencia lleva años exigiendo abandonar los combustibles fósiles y abrazar las energías renovables para hacer frente a la crisis climática que amenaza la supervivencia del planeta. Con los precios de la electricidad más altos de la historia, todos los ojos están más que nunca puestos en energías como la solar y la eólica.
Pero hay un problema tecnológico: no existe un sistema capaz de almacenar y producir económicamente esta energía bajo demanda. Un grupo de investigadores españoles parece haber encontrado la solución al descubrir un sistema de baterías fotovoltaicas con un enorme potencial de almacenamiento durante largos periodos de tiempo a bajo coste y capaz de proporcionar calor y electricidad bajo demanda.
El descubrimiento es obra de investigadores del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM). Descrito en un artículo titulado ‘Baterías termofotovoltaicas de calor latente’ y publicado en la revista científica ‘Joule’, el sistema utiliza la generación excedente de energía renovable intermitente, como la solar o la eólica, para fundir metales baratos, como el silicio o las aleaciones de ferrosilicio, en temperaturas superiores a 1000 ºC.
Las aleaciones de silicio pueden almacenar grandes cantidades de energía durante su proceso de fusión. Este tipo de energía se llama “calor latente”.
Por ejemplo, un litro de silicio almacena más de un kWh de energía en forma de calor latente, que es precisamente la cantidad de energía que contiene un litro de hidrógeno presurizado a 500 bares. 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.
Sistemas fotovoltaicos en miniatura
El sistema, que ya ha sido patentado por investigadores de la UPM, combina los efectos termoiónico y fotovoltaico para conseguir la conversión directa del calor en electricidad.
A diferencia de las máquinas térmicas convencionales, este sistema no requiere contacto físico con la fuente térmica, ya que se basa en la emisión directa de electrones (efecto termoiónico) y fotones (efecto termofotovoltaico).
Una clave del sistema se refiere a cómo el calor almacenado se convierte en electricidad. Cuando el silicio se funde por encima de los 1000 ºC, brilla como el sol. Por lo tanto, es posible volver a convertir el calor irradiado en electricidad utilizando células fotovoltaicas.
Los llamados generadores termofotovoltaicos son como instalaciones fotovoltaicas en miniatura que pueden producir hasta 100 veces más electricidad 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 sólo es mayor el poder; eficiencia también.
Porque el rendimiento de las células termofotovoltaicas oscila entre el 30 y el 40% en función de la temperatura de la fuente de calor, mientras que los paneles solares fotovoltaicos comerciales tienen rendimientos que oscilan entre el 15% y el 20%. La mitad.
El uso de generadores termofotovoltaicos, en lugar de motores térmicos convencionales (como los ciclos Stirling, Brayton o Rankine), evita el uso de piezas móviles, fluidos o intercambiadores de calor complejos. De esta forma, todo el sistema puede hacerse económico, compacto y silencioso. Estas son todas las ventajas.
Cien veces más baratas que las baterías de litio
Según el estudio, las baterías termofotovoltaicas de calor latente podrían almacenar grandes cantidades de exceso de electricidad renovable. «Une grande partie de cette électricité sera produite lorsqu’il n’y aura pas de demande, elle sera donc vendue à très bas prix sur le marché de l’électricité», explique Alejandro Datas, chercheur à l’IES-UPM qui dirige el proyecto.
“Es fundamental almacenar esta electricidad en un sistema muy barato, porque no tendría sentido almacenar algo tan barato en una caja muy cara. Por lo tanto, almacenar el exceso de electricidad en forma de calor tiene sentido, ya que es una de las formas más económicas de almacenar energía”, continúa el investigador.
En particular, las aleaciones de silicio-ferrosilicio permiten almacenar energía a un costo de menos de 4 € por kWh, es decir, 100 veces más barato que las actuales baterías estacionarias de iones de litio.
Es cierto que el coste total será mayor tras integrar el contenedor y el aislamiento térmico, pero también, como se detalla en el estudio, se podría llegar a «costes del orden de los 10 euros por kWh si el sistema es grande». suficiente, típicamente más de 10 MWh, ya que el costo del aislamiento térmico sería solo una pequeña fracción del costo total del sistema”.
El hecho de que solo una fracción del calor almacenado con estas baterías de calor latente se convierta nuevamente en electricidad no es necesariamente un problema. “Si el sistema es lo suficientemente barato, recuperar solo el 30 o 40% de la energía en forma de electricidad sería suficiente para hacerlo preferible a otras tecnologías más caras, como las baterías de iones de litio”, subrayan los investigadores.
El primer prototipo, listo
El 60 o 70% del calor que no se convierte en electricidad también podría entregarse directamente a edificios, fábricas o ciudades, lo que reduciría el consumo de gas natural.
El calor representa más del 50 % de la demanda mundial de energía y el 40 % de las emisiones mundiales de CO2. De esta forma, el almacenamiento de energía eólica o fotovoltaica en baterías termofotovoltaicas de calor latente no solo permitiría un ahorro sustancial, sino que también satisfaría parte de esta alta demanda de calor por fuentes renovables.
Por tanto, “desarrollar este tipo de sistemas puede ser fundamental para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, no solo en el sector eléctrico, sino también en el térmico”, concluye Datas.
El primer prototipo a escala de laboratorio del sistema que se fabricó en el marco de un proyecto europeo (AMADEUS) ya está disponible en el IES-UPM, y en el estudio se han publicado los primeros resultados experimentales.
Es la culminación de más de 10 años de investigación en el IES-UPM. Sin embargo, la tecnología todavía requiere mucha inversión antes de que pueda salir al mercado, explica la Universidad de Madrid. Por ejemplo, el prototipo de laboratorio actual tiene menos de 1 kWh de capacidad de almacenamiento, pero se requieren capacidades de almacenamiento de energía de más de 10 MWh para que esta tecnología sea rentable.
El próximo desafío es escalar la tecnología y probar su viabilidad a escala. Para ello, investigadores del IES-UPM ya están formando el equipo que lo hará posible.
Informe de referencia: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435122000423?via%3Dihub
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