Autor: Fersisolar Ingeniería y consultoría

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.

Cover image: Redstone power plant in South Africa. Source

How can we make solar power at night? Solar PV is extremely successful at generating solar power during daytime. However, once the sun sets the grid needs to rely on more expensive nuclear, geographically limited hydro or polluting gas and coal. If we want to use solar power during the night, concentrated solar (CSP) is probably the most competitive solution. Making hybrid PV-CSP and PV-wind-CSP plants to tap into the strengths of the different renewable technologies might be the best way to have cheap, low-carbon electricity 24 hours per day.

Thermal energy storage with molten salts – the key to 24/7 solar production

Why is CSP better than PV for providing power at night? It is that the two solar technologies have different outputs. While PV panels provide us with electric current directly, CSP creates heat – steam that needs to run through a turbine to generate electricity. The ace up CSP’s sleeve is that thermal energy can be stored much more easily than electric energy.

Most thermal storage technologies use the sensible heat of a fluid – usually molten salt. The salt heated from the solar field is stored in the hot tank, where it remains at up to 550ºC until the electricity prices become attractive enough for the plant to start producing. Once the salt leaves the hot tank, its energy is passed to the water that circulates in the power block through a heat exchanger. With its temperature now low, the salt is sent to the cold tank. There, it is kept above its freezing point (well above 100ºC) to ensure it doesn’t solidify before the next production cycle begins. This is a rather efficient roundtrip, with up to 99% of the produced energy arriving at the power block.

Figure 1: Schematic of a molten salt storage system with two tanks. Source link.

Compared to batteries (BESS), thermal storage (TES) using molten salts can offer lower costs and avoids issues surrounding batteries’ toxicity and flammability. From an environmental point of view, molten salt TES can offer rather low impacts in a wide range of categories, including acidification, marine and human toxicity and embodied greenhouse gas emissions.

Another advantage that molten salt TES has over battery systems is its lifespan. BESS, for example lithium-ion, typically last 10 to 15 years, with performance degrading after a number of cycles due to chemical aging and thermal stress. In contrast, TES systems using molten salts can last up to 30 years with minimal degradation, as they rely on simple heat transfer rather than electrochemical reactions.

The lower price tag holds true, especially when considering a larger system that could offer sustained output over multiple hours, as shown by a study by the TU Wien below. Although battery energy storage systems have enormous potential for cost reductions, it is highly unlikely that a battery system designed to store electricity for more than 2-3 hours will ever be cheaper than its molten salt counterpart. Thus, even though BESS are absolutely essential for the future grid and should be installed at massive scale, there are niches in which TES outperforms them.

Another important takeaway from the same study is that it is unlikely that PV-TES systems (using some form of heaters as an intermediary) will become more economical than CSP-TES. This ensures the future of CSP itself as part of the energy transition.

Figure 2: Specific costs of different combinations of technologies. BESS – battery energy storage system. TES – thermal energy storage. CSP – concentrated solar power. PV – photovoltaics. Source link

Hybrid renewable plants with storage – closing the gap in energy production

The promising way forward then seems to be to design hybrid plants, where PV panels with some BESS take care of electricity supply during the day, while CSP with TES keeps the lights on during the night. Clearly, CSP can be integrated with wind energy too, not only with PV. In that case, rather than strictly operating at night, the CSP can focus on moments with low winds.

According to a study by researchers from the University of Calgary, if a solar-only plant wants to sustain a continuous load for more than 8-9 hours, the hybridization of concentrated solar power with thermal energy storage (CSP-TES) and photovoltaics with battery storage (PV-BESS) systems offers significant financial benefits. According to their results (see graph below), a hybridized plant designed to run uninterruptedly for 24 hours could have a lower levelized cost of electricity compared to a PV-BESS plant designed to provide 4 hours of service per day.

Figure 3: Levelized cost of electricity of different plant configurations at locations in Morrocco (Ouarzazate) and Italy (Ottana). Source link

The Chinese government has understood this. In the last year of 2024 alone, three projects with 250 MW of CSP were commissioned, all of them hybrid plants, combining CSP with PV and onshore wind (see page 27 here). All projects featured at least 8 hours of thermal storage, allowing for nighttime operation and peak shaving. And there are more projects on the way, 3.3 GW of CSP is under construction, with most of these projects expected to be completed in 2025 (page 28 here).

It is important to stress that these hybrid projects are significantly bigger than only their CSP part, because CSP and PV are not competing with one another, but working together. For example, the capacity of the projects finished last year sits just above 1.5 GW, six times larger than the CSP components alone. The fact that CSP plants are more expensive and require more maintenance than their photovoltaic cousins, gives them a specialized, but absolutely crucial role in the toolbox of the future renewable energy mix.

At FersiSolar S.L. we are experts at CSP, Storage, Concentrated Solar Heat for industries and businesses. If you want a 24/7 clean energy solution, contact us. The world cannot wait…

Or maybe you know any other ways to address this frontier of renewable energy??