La solución al almacenamiento de energía de larga duración puede estar en la arena

Cualquiera que alguna vez haya caminado descalzo por la playa en un día soleado se irá con una mayor comprensión de cuánto calor puede retener la arena. Se espera que esa capacidad desempeñe un papel vital en el futuro, a medida que la tecnología que utiliza arena calentada se convierta en parte de la respuesta a las necesidades de almacenamiento de energía.

Es probable que la mayoría de la gente piense en las baterías en términos de almacenamiento de energía para su uso posterior, pero existen otras tecnologías. La energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo es un método común, aunque requiere embalses en diferentes elevaciones y está limitado por la geografía. Otro enfoque se basa en lo que se conoce como almacenamiento de energía térmica, o TES, que utiliza sales fundidas o incluso rocas sobrecalentadas.

TES parece prometedor como alternativa de bajo costo a las tecnologías de almacenamiento existentes, y almacenar energía en partículas sólidas como la arena proporciona una respuesta inmediata, sin restricciones geológicas. Después de todo, la arena, como el aire y el agua, está en todas partes.

“La arena es de fácil acceso. Es respetuosa con el medio ambiente. Es estable, bastante estable, en un amplio rango de temperaturas. También es de bajo costo”, dijo Zhiwen Ma, ingeniero mecánico del Grupo de Sistemas de Energía Térmica del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de Estados Unidos.

La necesidad de almacenamiento de larga duración

La tecnología patentada desarrollada en NREL revela cómo los calentadores alimentados por fuentes de energía renovables como la eólica y la solar pueden elevar la temperatura de las partículas de arena a la temperatura deseada. Luego, la arena se deposita en un silo para su almacenamiento y uso posterior, ya sea para generar electricidad o para procesar calor en aplicaciones industriales. Un prototipo a escala de laboratorio validó la tecnología y permitió a los investigadores crear un modelo informático que muestra que un dispositivo a escala comercial retendría más del 95% de su calor durante al menos cinco días.

"Las baterías de iones de litio realmente han acaparado el mercado con dos a cuatro horas de almacenamiento, pero si queremos lograr nuestros objetivos de reducción de carbono, necesitaremos dispositivos de almacenamiento de energía de larga duración, cosas que puedan almacenar energía durante días", dijo Jeffrey Gifford, investigador postdoctoral del NREL.

Gifford, que ya comparte dos patentes con Ma sobre intercambiadores de calor que convierten la energía térmica almacenada en electricidad, dijo que el uso de arena u otras partículas para almacenar energía térmica tiene otra ventaja sobre las baterías. “El almacenamiento de energía térmica de partículas no depende de materiales de tierras raras o materiales que tengan cadenas de suministro complejas e insostenibles. Por ejemplo, en el caso de las baterías de iones de litio, hay muchas historias sobre el desafío de extraer cobalto de manera más ética”.

Además de TES, la experiencia de Gifford se centra en la dinámica de fluidos computacional. Ese conocimiento es importante porque la arena debe fluir a través del dispositivo de almacenamiento. Otros medios TES incluyen hormigón y rocas, que pueden retener fácilmente el calor pero permanecer sólidamente en su lugar. "La transferencia de calor es mucho mayor, más rápida y más efectiva si mueves el material", dijo Gifford.

La más barata

TES también tiene otra ventaja clave: el costo. Ma ha calculado que la arena es la opción más barata para el almacenamiento de energía en comparación con cuatro tecnologías rivales, incluido el almacenamiento de energía por aire comprimido (CAES), la energía hidroeléctrica por bombeo y dos tipos de baterías. CAES y la energía hidroeléctrica de bombeo solo pueden almacenar energía durante decenas de horas. El costo por kilovatio-hora para CAES oscila entre 150 y 300 dólares, mientras que para la energía hidroeléctrica de bombeo es de unos 60 dólares. Una batería de iones de litio costaría 300 dólares el kilovatio-hora y sólo tendría capacidad para almacenar energía de una a cuatro horas. Con una duración de cientos de horas, la arena como medio de almacenamiento costaría entre 4 y 10 dólares el kilovatio-hora. Para garantizar un bajo costo, el calor se generaría utilizando electricidad de bajo precio y fuera de las horas pico.

Ma, que posee varias patentes sobre la tecnología, anteriormente se desempeñó como investigador principal en un proyecto financiado por ARPA-E conocido como ENDURING, para almacenamiento económico de electricidad de larga duración mediante el uso de almacenamiento de energía térmica de bajo costo y ciclo de energía de alta eficiencia. El prototipo surgió de este proyecto. El siguiente paso es la innovación en 2025 de un sistema de almacenamiento de energía térmica eléctrica (ETES) en el campus Flatirons de NREL en las afueras de Boulder, Colorado, que estará diseñado para almacenar energía durante entre 10 y 100 horas. El sistema independiente está libre de restricciones de ubicación que limiten dónde se puede establecer CAES o energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo.

El proyecto de demostración financiado por el DOE, dijo Ma, tiene como objetivo mostrar el potencial comercial de la arena para TES.

Ya se utilizan sales fundidas para almacenar energía temporalmente, pero se congelan a unos 220 grados Celsius (428 grados Fahrenheit) y comienzan a descomponerse a 600 C. La arena que Ma pretende utilizar proviene de la tierra en el Medio Oeste de los Estados Unidos. , no es necesario evitar que se “congele” y puede retener mucho más calor, en el rango de 1.100 C (2.012 F), que puede almacenar calor para la generación de energía o para reemplazar la quema de combustibles fósiles por calor industrial. “Esto representa una nueva generación de almacenamiento más allá de las sales fundidas", dijo Ma.

Decidir qué almacenará el calor

¿Pero cualquier arena vieja servirá? No, según los investigadores del NREL, que examinaron varias partículas sólidas para determinar su capacidad de fluir y retener calor. En un artículo publicado el otoño pasado, Ma y otros científicos experimentaron con ocho candidatos a partículas sólidas. Entre las partículas consideradas se encontraban materiales cerámicos artificiales utilizados en fracking, arcilla de pedernal calcinada, alúmina fundida marrón y arena de sílice. La arcilla y la alúmina fundida fueron rechazadas debido a la inestabilidad térmica a la temperatura objetivo de 1200 grados Celsius (2192 grados Fahrenheit).

Los materiales cerámicos superaron a la arena en todas las categorías, pero las ganancias marginales en el rendimiento se consideraron insuficientes para justificar el mayor costo. Mientras que la arena cuesta entre 30 y 80 dólares la tonelada, los precios de los materiales cerámicos eran aproximadamente dos magnitudes más altos. La arena se encuentra en la forma ultrapura de cuarzo alfa y está fácilmente disponible en el Medio Oeste.

Ampliar la cantidad de energía que se puede almacenar en la arena es tan simple como agregar más arena, dijo Craig Turchi, gerente del Grupo de Investigación de Tecnologías y Ciencias de la Energía Térmica del NREL.

"Es un costo marginal agregar capacidad de almacenamiento adicional", dijo. “Necesitamos almacenamiento que va desde minutos hasta meses. Las baterías funcionaron muy bien en el espacio de minutos a horas en términos de escala. Y cuando hay meses de almacenamiento, normalmente se busca fabricar un combustible como el hidrógeno para proporcionar ese almacenamiento a largo plazo. Pero en el período comprendido entre varias horas y dos semanas, no hay una buena opción en este momento. El hidrógeno es demasiado caro para eso. Las baterías son demasiado caras para eso”.

Los componentes necesarios para convertir la arena sobrecalentada en electricidad requieren un costo inicial. "Pero una vez que hayas pagado por eso", dijo Turchi, "si sólo quieres tener más duración para tu energía, es mucho, mucho más barato agregar más arena que la alternativa, que es seguir agregando baterías".