Almacenamiento de energía térmica

La necesidad de una mayor dependencia de la energía renovable surge regularmente mientras intentamos combatir el cambio climático. El último acuerdo de la COP28 lo dejó claro, pidiendo un triplicación de la capacidad de energía renovable y una duplicación de las mejoras de eficiencia energética para 2030. Es una ambición audaz pero necesaria para acercarse a alcanzar los objetivos de cero emisiones netas en el plazo necesario.

Un tema que a menudo se pasa por alto es cómo gestionar mejor la imprevisibilidad del suministro de energía renovable. Y, cuando se discute, a menudo se centra en cuestiones de alto nivel, como la distribución de la red y los suministros nacionales de energía. Sin embargo, pueden pasar hasta 15 años para que las expansiones de las redes de transmisión y distribución eléctrica entren en vigor. Con la necesidad de acción inmediata para limitar el impacto del cambio climático, existe una necesidad urgente de mirar más allá de la generación de energía centralizada y hacia la generación de calor localizada.

Los picos y valles en el suministro de recursos eólicos y solares, y el considerable aumento de la demanda a medida que el calor se electrifica, significa que tiene sentido buscar oportunidades para nuevas sinergias entre los sectores de energía y calor.

El almacenamiento de energía térmica (TES) y otras formas de almacenamiento de energía de larga duración (LDES) son dos vías prometedoras para maximizar el potencial de una situación en evolución.

La necesidad de adoptar métodos de TES mientras continuamos el camino hacia un futuro más sostenible es clara. Y, a medida que las tecnologías evolucionan para satisfacer esta demanda, vale la pena considerar el impacto más amplio que estas opciones podrían tener en nuestro medio ambiente, más allá de factores como los costes de capital, la eficiencia y la producción de energía. Aquí examinamos dos alternativas y consideramos algunos de estos problemas.

Hoy, las formas más comunes de almacenamiento de energía para calor son el almacenamiento térmico mediante calor sensible y latente usando materiales de cambio de fase (PCM), y el almacenamiento termoquímico. Las opciones de almacenamiento electroquímico se dividen en dos categorías: condensadores y baterías. Mientras que los condensadores ofrecen mayores eficiencias y mayor vida útil en comparación con las baterías, transportan mucho menos carga por unidad por masa en comparación.

Las baterías también han sido objeto de mucha investigación sobre su uso en sistemas de almacenamiento de energía, incluyendo la integración con sistemas de tecnología renovable. Las baterías de fosfato de hierro y litio (LIPB) han sido objeto de varios estudios que evalúan su uso, por ejemplo en parques eólicos para almacenar energía para cuando no sopla el viento. Su eficiencia mejora dramáticamente cuando se usa más de una batería, permitiendo ciclos completos de carga y descarga. Otros artículos se han centrado en mejorar su eficiencia, por ejemplo controlando su temperatura de operación mediante mantas térmicas, o han examinado su impacto en el medio ambiente a través de evaluaciones del ciclo de vida (LCA).

En Spirax Sarco, junto con colegas de Chromalox, hemos desarrollado una forma innovadora de TES: la SteamBattery. Esta almacena calor generado por un calentador eléctrico sumergido como agua caliente a alta presión en un recipiente bien aislado.

Cuando se necesita vapor de la SteamBattery, se toma del espacio de ullage (gas) del recipiente, y se usa directamente como vapor, o indirectamente mediante un intercambiador de calor para conectarse con un sistema de calefacción “húmedo”. El vapor condensado se devuelve al recipiente. A medida que se usa el vapor, la presión baja hasta el punto en que la SteamBattery está completamente descargada. Se recarga mediante el calentador eléctrico sumergido, que puede usar electricidad de fuentes renovables directas o de la red cuando hay energía renovable de bajo coste disponible. Puede descargar vapor y cargarse simultáneamente, lo que da flexibilidad en cómo se emplea, y como almacenamiento intermedio. Capaz de cargarse completamente en 8 horas, puede hacerlo durante la noche.

Utilizando la literatura actual sobre LIPB junto con nuestro modelo y estudios existentes para la SteamBattery, nos propusimos comparar el impacto ambiental de estas dos soluciones de almacenamiento de energía. Hubo algunas limitaciones, debido a los límites establecidos por los estudios de LIPB; notablemente un enfoque de cuna a puerta que no considera ni su transporte ni su eliminación al final de su vida útil.

Una vez establecido el límite del sistema, se pudo evaluar una gama de impactos ambientales comparativos. Debido a las diferencias en los modelos utilizados entre el estudio de LIPB y el de la SteamBattery, encontramos que 10 de los 18 en el estudio de LIPB ofrecían una comparación directa.

Estos son los más relevantes para el impacto del cambio climático y se miden en kg de equivalencia de dióxido de carbono. Los resultados muestran que la SteamBattery emitiría 8,58 kg/1 000 kWh de energía almacenada a lo largo de su vida útil, mientras que la LIPB emitió 16,10/1 000 kWh a lo largo de su vida útil. Efectivamente, la SteamBattery tiene la mitad de las emisiones de CO2 de la LIPB a lo largo de su vida útil.

Examinamos seis categorías de impacto ambiental, incluyendo las que cubren ecotoxicidad y eutrofización en ambientes marinos y de agua dulce, más acidificación y ecotoxicidad en ambientes terrestres. Tanto para ambientes de agua dulce como marinos, se encontró que la SteamBattery era un 95 % menos impactante en comparación con la LIPB. Esto se debió en gran parte al proceso de fabricación de la placa del cátodo necesario para la LIPB.

Al observar los impactos terrestres, emerge una imagen diferente. La producción de dióxido de azufre de la SteamBattery fue un 83 % menor que la de la LIPB. Sin embargo, su equivalente de diclorobenceno fue mayor que el de la LIPB. Un examen más detenido, considerando las cargas de impacto de ambos productos en las diferentes categorías ambientales, concluyó que esta era un área de mejora potencial más que un defecto grave.

La evaluación destacó aún más el impacto reducido de la SteamBattery en los recursos naturales, como los combustibles fósiles y el agua. Notablemente, las cargas ambientales más altas estuvieron predominantemente asociadas con la LIPB, particularmente en la ecotoxicidad marina y de agua dulce, mientras que el impacto más significativo de la SteamBattery fue considerablemente menor en la ecotoxicidad terrestre.

A medida que crece la necesidad de sistemas de vapor sostenibles, hay un imperativo claro de considerar más que simplemente evitar los combustibles fósiles. La resiliencia y el futuro del planeta dependen de una serie de otros factores, con consideraciones ambientales en lo alto de la lista. Este estudio inicial muestra que siempre se debe considerar una encuesta más holística de opciones potenciales antes de tomar decisiones finales.

Fuente:

Borbala Rebeka David, Sean Spencer, Jeremy Miller, Sulaiman Almahmoud, Hussam Jouhara:(Comparative environmental life cycle assessment of conventional energy storage system and innovative thermal energy storage system,2021).