Investigadores del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM) han desarrollado un sistema que utiliza la generación excedente a partir de energías renovables intermitentes, como la solar o la eólica, para fundir metales baratos, como el silicio o las aleaciones de ferrosilicio, a temperaturas superiores a los 1.000 ºC. De esta manera, se consigue almacenar grandes cantidades de energía durante largos periodos de tiempo para proporcionar calor y electricidad bajo demanda.
El sistema, descrito en un artículo publicado recientemente en Joule, está basado en generadores termofotovoltaicos, instalaciones fotovoltaicas en miniatura que pueden producir hasta 100 veces más potencia que una planta de energía solar convencional. Si un metro cuadrado de panel solar produce 200 W, un metro cuadrado de panel termofotovoltaico produce 20 kW.
Baterías termofotovoltaicas de calor latente
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 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 clave del sistema se refiere a la forma en que el calor almacenado se convierte en electricidad. Cuando el silicio se funde a más de 1.000 ºC brilla como el sol. Por lo tanto, es posible volver a convertir el calor irradiado en electricidad utilizando células fotovoltaicas.
Económico, compacto y silencioso
Además de la potencia, 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%. 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, señalan los investigadores del IES-UPM.
En particular, las aleaciones de silicio y ferrosilicio pueden almacenar energía a un costo de menos de cuatro euros 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. Pero, según el estudio, sería posible alcanzar costes en torno a los 10 euros por kWh si el sistema es suficientemente grande, típicamente más de 10 MWh, ya que el coste del aislamiento térmico sería una pequeña fracción del coste total del sistema.
Una alternativa a las baterías de iones de litio
El hecho de que solo una fracción del calor almacenado se convierta nuevamente en electricidad no es necesariamente un problema. Si el sistema es lo suficientemente barato, bastaría con recuperar solo el 30-40% de la energía en forma de electricidad para que sean preferibles a otras tecnologías más caras, como las baterías de iones de litio.
Además, el 60-70% restante del calor que no se convierte en electricidad puede entregarse directamente a edificios, fábricas o ciudades, lo que reduciría su 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 este modo, el almacenamiento de energía eólica o fotovoltaica en baterías termofotovoltaicas de calor latente no solo permitiría un ahorro sustancial de costes, sino que también satisfaría parte de esta gran demanda de calor a través de fuentes renovables.
Por tanto, este tipo de sistemas puede ser clave para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, no solo en el sector eléctrico, sino también en el térmico.
Diez años de investigación
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.
Esta es la culminación de más de 10 años de investigación en el IES-UPM. Sin embargo, la tecnología todavía necesita mucha inversión antes de que pueda llegar al mercado. Por ejemplo, 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.
Por lo tanto, el próximo desafío es escalar la tecnología y probar su viabilidad a gran escala. Para ello, los investigadores del IES-UPM ya están formando el equipo que lo hará posible.