Soluciones de la química a la gestión de la energía solar
10/09/2022 - Fuente: Fundación Descubre
Aioannides, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Uno de los principales problemas asociados a las energías renovables es su gestión, debido a su carácter intermitente y a la dificultad de predicción del recurso, principalmente en el caso de la eólica y la solar. La consecución del Objetivo de Desarrollo Sostenible 7 (garantizar el acceso a una energía asequible, segura, sostenible y moderna) pasa por el aumento de la producción de energía fiable, ininterrumpida y suficiente, por lo que son imprescindibles actuaciones que faciliten la mejora de la gestión de las energías renovables.
La Química aporta algunas soluciones, como el uso de cementos y sales fundidas que van a permitir la producción de electricidad durante la noche a partir de energía solar de concentración.
Existen dos formas de aprovechamiento de la energía solar, la fotovoltaica y la térmica. La primera transforma directamente la radiación solar en electricidad a través de las placas fotovoltaicas y la segunda implica una transformación previa en energía térmica.
Este paso intermedio puede ser muy interesante, ya que existen técnicas de almacenamiento de energía térmica que permitirán la gestión de la producción de electricidad en el momento en que se necesite en función de la demanda.
Sistemas de almacenamiento térmico
El almacenamiento de energía térmica (TES) puede ser muy efectivo y se logra con tecnologías muy diferentes: 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.
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES) 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 forma más directa es el almacenamiento de calor sensible, que consiste simplemente en elevar la temperatura de un líquido o sólido para almacenar calor. Para ello se usan fluidos de transferencia como el aire, el aceite, y materiales como sales fundidas, rocas, hormigón, etc. Para seleccionarlos se tiene en cuenta propiedades como la densidad del material, el calor específico, o la conductividad, entre otros. Uno de los líquidos más empleados, sobre todo a nivel doméstico, es el agua, que se utiliza en la producción de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción o climatización, utilizando tanques para su almacenaje. Encontramos el mismo principio en los sistemas de doble tanque con sales fundidas usados en las centrales termosolares y de concentración.
En el caso de los sistemas de calor latente la energía se emplea en cambiar el estado de agregación del material de almacenamiento, denominado de cambio de fase (PCM). Estos sistemas presentan una serie de limitaciones, como los problemas asociados al coste, separación de fases y estabilidad de los PCM, la corrosión de las instalaciones y las escasas aplicaciones que han llegado al mercado.
En el almacenamiento termoquímico se absorbe el calor producido a partir de una reacción química reversible, endotérmica cuando absorbe energía térmica y exotérmica con la descarga. Presenta numerosas ventajas frente a los anteriores: una mayor densidad energética, la posibilidad de almacenamiento a temperatura ambiente y a largo plazo, la facilidad de transporte, etc. Sin embargo, este tipo de almacenamiento se encuentra aún en una fase preliminar de desarrollo y las líneas de investigación se centran 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.
La implementación de estos sistemas de almacenamiento de energía térmica a las instalaciones termosolares abrirá la puerta a la posibilidad de gestionar la producción de la electricidad a partir de una energía renovable.
Hacia una energía solar gestionable: sales fundidas y cementos
El principal problema de la energía solar es que su producción depende de las condiciones climatológicas y no de la demanda del sistema. Sin embargo, gracias a la tecnología de almacenamiento de sales fundidas, ya implementada con éxito, se puede producir electricidad a cualquier hora del día o de la noche.
Solar concentration (thermal) power plant in Nevada / Julianne Boden. – U.S. Department of Energy from United States
En una planta termosolar, los heliostatos reflejan los rayos del sol hacia el receptor central situado en el centro de la planta, y que alcanza temperaturas lo suficientemente altas como para convertir el agua en vapor que moverá una turbina que generará la electricidad. Evidentemente, si no hay sol, esas temperaturas no pueden alcanzarse y deja de producirse la electricidad. Las limitaciones propias del recurso se solventan con un receptor central de sales fundidas, una mezcla de nitratos de sodio y potasio que se calientan hasta unos 565 grados centígrados y que pueden ser almacenadas en unos depósitos aislados térmicamente.
Estos sistemas funcionan normalmente con dos tanques de almacenamiento a diferentes niveles de llenado y temperatura. Las sales fundidas del tanque de almacenamiento frío, situado al pie de la torre, son bombeadas al receptor, donde se calientan y descienden hasta el tanque de almacenamiento de mayor temperatura. Estas se extraen en función de la necesidad y se les hace circular a través de un intercambiador de calor, donde ceden su alta temperatura al agua generando el vapor necesario para mover una turbina que producirá la energía eléctrica cuando se necesite. Una vez utilizadas se devuelven al depósito frío para volver a repetir el ciclo.
La gran ventaja de este tipo sistema es que el calor se mantiene en las sales fundidas de un modo mucho más eficiente, alargando los ciclos de evaporación del agua y posibilitando que las turbinas generen electricidad horas después de la puesta del sol, por lo que la planta puede estar operativa las 24 horas.
Las centrales termosolares de tercera generación requieren trabajar a temperaturas superiores a los 700ºC, lo que significa el uso de cloruros o sales de carbonatos fundidos para el almacenamiento de calor. Sin embargo, no podemos obviar que la sal fundida es un electrolito, que a altas temperaturas presenta una alta reactividad, especialmente con los metales, lo que implica problemas de corrosión en depósitos, bombas y conductos. Estudios basados en los fenómenos físico-químicos que tienen lugar en la interfaz acero-sales fundidas han dado lugar a soluciones innovadoras para eliminar este problema de corrosión como la adición de grafito y de nanopartículas a las sales fundidas.
Las sales fundidas no son la única posibilidad de almacenamiento térmico rentable y competitivo, algunas instalaciones utilizan baterías térmicas de cemento de alto rendimiento y tubos de acero por los que circula el fluido de transferencia térmica. Estas baterías son modulares, por lo que se pueden adaptar fácilmente a las necesidades de producción. Este sistema es más ventajoso económicamente para las plantas de producción pequeñas.
La transición energética implica la gestión óptima de los recursos disponibles y la búsqueda de tecnologías alternativas como el almacenamiento térmico. El proyecto Nextower, en el que participa la Plataforma Solar de Almería, tiene por objeto el desarrollo de una nueva generación de materiales que permitan operaciones prácticamente libres de mantenimiento y una mayor temperatura de trabajo dará como resultado la próxima generación de CSP (energía solar de concentración) de aire refrigerante altamente competitivo sobre otras alternativas de CSP y opciones de suministro de energía sostenibles. La química juega un papel importante en la selección de fluidos de transferencia térmica y de materiales resistentes para mejorar la eficiencia de la producción y la gestión de la energía.
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