Power-to-heat-to-power (P2H2P) usando microondas y sistemas comerciales de almacenamiento térmico de gran capacidad

Autores: E. Rojas, M. Rodriguez-García, C. Valverde

Los sistemas Power-to-heat-to-power (P2H2P), también conocidos como baterías de Carnot, son, hoy en día, unas de las soluciones mejor valoradas para facilitar una contribución real y relevante de las tecnologías renovables eólica y fotovoltaica en el mercado eléctrico actual [1]. Y es que, a fecha de hoy, no se dispone de baterías lo suficientemente grandes con la capacidad de almacenar de manera rentable el exceso de energía producido por las plantas de energía fotovoltaica y los parques eólicos. Para mantener el equilibrio entre la oferta y la demanda de energía, los operadores de plantas de energía fotovoltaica y parques eólicos reducen su producción de electricidad en momentos en que hay mucho sol o viento, pero poca demanda. Por lo tanto, parte del potencial de generación de energía con estas tecnologías permanece sin explotar [2]. No es este el caso de las centrales termosolares que, gracias a sus ya comerciales sistemas de almacenamiento de gran capacidad (actualmente el sistema más grande es de 2GWeh, (https://estelasolar.org/) y relativo bajo coste de inversión (entre 20-55 €/kWeh) [3], pueden gestionar su producción de forma independiente a la disponibilidad de recurso solar1. Estos sistemas utilizan como medio de almacenamiento una mezcla no eutéctica de nitratos, llamada sal solar, en estado líquido que se va transfiriendo a uno de los dos tanques que configuran el sistema según se esté haciendo un proceso de carga o de descarga. Así pues, la propuesta P2H2P es la de utilizar estos sistemas de almacenamiento térmico para almacenar el excedente eléctrico de plantas eólicas y fotovoltaicas, transformándolo posteriormente de nuevo en energía eléctrica en bloques de potencia ya existentes, ya sean de centrales termosolares, de centrales de carbón a punto de ser desmanteladas [4], o de cualquier otra central térmica de potencia (gas o, incluso, nuclear).

Figura 1. Vista aérea del sistema de almacenamiento en una planta termosolar de cilindro parabólico. Se aprecian los dos tanques, así como el tren de intercambiadores de la sal solar (sistema de almacenamiento) con aceite térmico (campo solar)

Hasta la fecha, la conversión de electricidad en calor se ha contemplado hacerla con calentadores o intercambiadores eléctricos, donde la energía cinética de los electrones se convierte en energía térmica, calentando el material por el que circulan (efecto Joule). Luego, este material transfiere el calor al medio de almacenamiento que está directamente en contacto con la resistencia calefactora, de modo que el intercambio de energía se produce en su superficie. Con una eficiencia de conversión eléctrico-térmica bastante alta, la transferencia de calor por convección, así como la inexistencia de zonas de remanso en el intercambiador eléctrico determinan, en gran medida, la funcionalidad de este método, sobre todo para líquidos que tienen poca conductividad térmica y que trabajan muy cerca de su límite de temperatura de degradación, como ocurre en el caso de la sal solar. Investigadores de la Unidad de Almacenamiento de Energía Térmica del Ciemat (http://www.psa.es/es/areas/atycos/index.php) están explorando otros procesos de conversión eléctrica-térmica que no tengan estas desventajas, como es el calentamiento por microondas [5].

Las microondas (MW) son ondas electromagnéticas con frecuencias en el rango de 0,3 a 300 GHz y, por lo tanto, ubicadas entre el infrarrojo y las ondas de radio. Cuando los materiales dieléctricos (es decir, moléculas o iones polares) se exponen a radiaciones de microondas, sus dipolos eléctricos oscilan en su intento de alinearse con el campo eléctrico alterno de esas ondas. A medida que estos dipolos giran, se producen fricciones y colisiones, aumentándose la temperatura del medio. Esto se conoce como polarización dipolar.

Durante las últimas décadas, las microondas se han utilizado cada vez más en procesos de calentamiento, mostrando beneficios en cuanto a la eficiencia, el ahorro de tiempo y la intensificación de algunos procesos industriales a baja y alta temperatura (p. ej., secado, cocción, sinterización de cerámica, curado de polímeros, etc.). A diferencia del calentamiento por resistencias eléctricas o efecto Joule, el calentamiento por microondas es un proceso volumétrico, selectivo en términos de qué material se calienta y cuál no, y con una respuesta muy rápida de activación y desactivación. Esto conduce tanto a tasas de calentamiento muy altas como a importantes ahorros de energía. Aunque las microondas pueden presentar problemas de fugas e interferencias con otras ondas electromagnéticas, siendo problemas manejables dentro de unos límites aceptables [3], se han seleccionado como fuente de calor en muchos procesos de la industria alimentaria, de tratamiento de residuos, de vitrificación y también en la síntesis de materiales inorgánicos en estado sólido [6].

Los investigadores del Ciemat han verificado que las propiedades dieléctricas no solo de la sal solar, sino también de cada una de sus componentes de forma individual (KNO3 y NaNO3), les hacen ser susceptibles de ser calentadas con este método, por lo que ahora se encuentran trabajando en el desarrollo de un sistema completo –y complejo- que pueda utilizarse en un sistema P2H2P.

Figura 2. Esquema de una planta de potencia híbrida termosolar y fotovoltaica con almacenamiento para ambas fuentes, usando microondas para el almacenamiento de la energía eléctrica fotovoltaica.

Referencias

[1] Dumont, et al., “Carnot battery technology: A state-of-the-art review”, Journal of energy storage, 32, 101756 (2020), https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101756

[2] Martin Grolms, “Power-to-Heat-to-Power”. Advance Science news, Mar (2019) https://www.advancedsciencenews.com/power-to-heat-to-power/

[3] Crespo, The double role of CSP plants on the future Electrical Systems, presented in the WBG Conference ‘Concentrating Solar for Power and Heat’ (2020)

[4] Han, Y. Sun, J. Wu, “A low-cost and efficient solar/coal hybrid power generation mode: Integration of non-concentrating solar energy and air preheating process”, Energy, 235, 121367 (2021), https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121367

[5] Rodriguez-Garcia, M.M; Bayon, R.; Alonso, E.; Rojas, E. “Experimental and Theoretical Investigation on Using Microwaves for Storing Electricity in a Thermal Energy Storage Medium”, SolarPACES2021 Conference

[6] L. Lee, et al., “Numerical modelling of liquid heating and boiling phenomena under microwave irradiation using OpenFOAM”, International journal of heat and mass transfer, 148, (2020), https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119096

1Para ver la producción real horaria, no solo termosolar, sino de cualquier tecnología de generación eléctrica ver https://demanda.ree.es/visiona/peninsula/demanda/total. Actualmente el sistemas retributivo que tienen las plantas termosolares no favorece ni mejoras en el funcionamiento y producción de estas plantas, ni un vertido de potencia a la red beneficioso para el sistema y el ciudadano.

Contacto

Esther Rojas, Investigadora Responsable del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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