Almacenamiento térmico industrial, parte I

El almacenamiento térmico en la industria puede generar tanto a un ahorro energético considerable, como a la descarbonización de la energía que consumen las industrias – dos pilares clave de la transición energética. A pesar de todo esto, la mayoría de las personas piensa solo en el almacenamiento de electricidad que sí que tiene un papel clave en la introducción de renovables en la red y ayuda a evitar apagones (aunque eso nunca sería importante, ¿verdad?), pero no es la única vía de almacenar energía. En este texto ponemos el foco sobre el almacenamiento térmico de procesos industriales, discutimos cómo funciona, su madurez tecnológica y su impacto ambiental; en la próxima subida vamos a mostrar sus usos y beneficios en práctica.

En FersiSolar nos encanta un mundo sostenible donde consumimos menos y, además, más limpia energía; si estás de acuerdo, sigue leyendo.

¿Cómo funciona el almacenamiento térmico industrial?

En términos básicos, el almacenamiento térmico industrial funciona mediante la acumulación de energía en forma de calor para su uso posterior en procesos térmicos. El sistema capta calor de una fuente —como un intercambiador, una caldera o un campo solar térmico— y lo transfiere a un medio de almacenamiento. Durante la fase de carga, el medio almacena el calor elevando su temperatura o cambiando de estado (como de sólido a líquido). Cuando se necesita energía térmica, el sistema invierte el flujo y extrae el calor acumulado, transfiriéndolo a un fluido de proceso o a un consumidor mediante intercambiadores de calor. El ciclo puede repetirse muchas veces con eficiencia superior al 90%, dependiendo del tipo de tecnología utilizada.

En la siguiente sección vamos a profundizar este entendimiento.

Tecnologías del almacenamiento térmico y su nivel de madurez tecnológica

Existen tres categorías de tecnología de almacenamiento – calor sensible, calor latente y almacenamiento termoquímico. Las características más fundamentales de estas tecnologías están resumidas en la tabla a continuación. Las tecnologías de calor sensible utilizan la capacidad de materiales como agua, sales fundidas o hormigón de absorber calor cuando se calientan. En el caso del calor latente, se aprovecha la gran capacidad de algunos materiales de absorber calor durante un cambio de fase. Por último, las tecnologías termoquímicas emplean reacciones químicas reversibles; cuando el sistema se carga, el calor disponible activa una reacción que lo consume. Durante un descargue, la reacción se invierte y libera el calor.

Tabla 1: Características de diferentes tecnologías de almacenamiento. SH-TES – almacenamiento de calor sensible. LH-TES – almacenamiento de calor latente. TCS – almacenamiento termoquímico. Fuente.

De las tres familias de tecnologías, la de almacenamiento por calor sensible es la más desarrollada y exhibe los costes más bajos (ver Tabla 1). Esto se debe a su relativa simplicidad – el sistema es diseñado para albergar un solo material en la misma fase. Los sistemas termoquímicos aún se encuentran en fase de desarrollo, mientras que los sistemas de calor latente ya se utilizan ampliamente a bajas temperaturas en aplicaciones civiles e industriales, pero requieren más pruebas para temperaturas más altas (por encima de 250ºC). Ambas pueden abordar el gran tamaño físico de los sistemas de calor sensible, una de sus principales desventajas, que se debe a la relativamente baja densidad térmica de los materiales usados (mostrada en la tercera columna de la tabla de arriba).

Ilustración 1: Una escala de utilizada para evaluar la madurez de una tecnología, desde la investigación básica (nivel 1) hasta la comercialización (nivel 9). Fuente

En una publicación de 2023 en la revista científica “Processes”, los autores predicen el futuro próximo del almacenamiento térmico. Según ellos, hasta el fin de la década el almacenamiento termoquímico alcanzará el nivel de desarrollo tecnológico entre 6 y 9 (Tabla 2), que corresponde al menos a una demostración de campo (Ilustración 1). Esto es un gran avance desde los niveles de entre 3 y 5 reportados en el momento de publicación. De manera similar, se esperan avances que llevarán los sistemas de calor latente desde los niveles entre 4 y 7 en el inicio de la década hasta niveles entre 7 y 9 en 2030. Como hemos dicho, las tecnologías de calor sensible ya están bastante desarrolladas (niveles 7-9), pero se esperan avances incrementales hasta niveles 8-9 en los próximos años. La mayoría de los esfuerzos en este ámbito están en el uso de nuevos materiales a la vez de las típicas sales fundidas, agua bajo presión o aceite térmico.

Para todas las familias de tecnologías se espera una subida de la capacidad instalada acumulada y con esto un crecimiento de los tamaños típicos de las unidades y sus eficiencias térmicas. Todo esto es propicio para generar economías de escala, que bajan los costes de los proyectos. El ritmo de instalación en las industrias entonces será clave para desanclar el potencial de las tecnologías.

Tabla 2: Proyecciones de desarrollo hasta 2030. Fuente.

Más allá de los avances técnicos y económicos, también resulta crucial considerar el impacto ambiental de estas tecnologías de almacenamiento térmico, aspecto que se analiza en la siguiente sección.

¿Contamina el almacenamiento térmico?

En esta sección vamos a enfocarnos en el impacto ambiental de la sal solar gracias a la publicación con acceso abierto de Lambrecht et al. Esta sal es uno de los medios más típicos usados en los sistemas de almacenamiento sensible en las plantas termosolares y esto facilita su adopción para el almacenamiento térmico industrial. Está compuesta por un 40 % de nitrato de potasio (KNO₃) y un 60 % de nitrato de sodio (NaNO₃) y este último material representa el mayor factor de impacto en todas las categorías analizadas.

Los principales efectos ambientales a lo largo del ciclo de vida de esta sal térmica se concentran en la salud humana (por toxicidad), los ecosistemas acuáticos (eutrofización y ecotoxicidad del agua) y el medio edáfico (transformación del suelo). A pesar de estos impactos ambientales (y no debemos olvidar que nada tiene un impacto nulo) la sal solar presenta un perfil ambiental notablemente más favorable que el del aceite térmico Therminol que también se usa en sistemas de almacenamiento sensible, siendo entre ocho y nueve veces menos dañina. También existen otras sales con propiedades similares que utilizan menos NaNO₃ y gracias a esto mejoran ligeramente su perfil ambiental cara a cara la sal solar estándar.

Sin embargo, otros materiales pueden tener impacto aún más bajo. Se están invirtiendo considerables esfuerzos de investigación para impulsar la economía circular en el ámbito del almacenamiento térmico. Por ejemplo, el proyecto de Horizon FLUWS tiene el objetivo de desarrollar un sistema que usa desechos de la industria cerámica como medio de almacenamiento hasta el nivel de madurez tecnológica de 5. Otro enfoque científico es el uso de residuos de construcción y demolición e y así aprovechar este flujo masivo de desechos industriales con bajo coste.

El mundo de la energía lleva años cambiando y el sistema nuevo y mejorado ya ha tomado forma. El sector industrial forma parte de ello y en nuestra próxima publicación profundizaremos con algunos ejemplos reales; en poco tiempo tú fábrica podría formar parte de esta misma lista. En FersiSolar S.L. somos expertos en almacenamiento y energía solar concentrada para industrias y empresas. Si estás buscando soluciones para formar parte del futuro y descarbonizar tu proceso, contáctanos, el mundo no puede esperar.