Un prototipo de batería de Carnot basado en arena prueba una vía distinta para el almacenamiento de larga duración

Investigadores de Aalto prueban si materiales baratos pueden respaldar el almacenamiento térmico de electricidad

Investigadores de la Universidad de Aalto, en Finlandia, han evaluado experimentalmente un prototipo de batería de Carnot basada en un motor Stirling que utiliza arena como almacenamiento de energía térmica. El concepto apunta a uno de los problemas más difíciles de los sistemas energéticos: cómo almacenar electricidad en formas que sean baratas, escalables y adecuadas para duraciones más largas de las que muchas baterías electroquímicas pueden ofrecer con facilidad.

Una batería de Carnot almacena electricidad como calor y luego convierte ese calor de nuevo en electricidad. En el prototipo del equipo de Aalto, arena de bajo coste sirve como medio de almacenamiento térmico, mientras que un motor Stirling convierte el calor almacenado en movimiento mecánico y luego en electricidad. El enfoque pertenece a una clase más amplia de sistemas de electricidad a calor a electricidad que están ganando atención a medida que las redes integran más generación renovable variable.

El atractivo central es sencillo. La arena es abundante y barata, y el almacenamiento térmico puede, en principio, escalar sin depender de las mismas cadenas de suministro de materiales que condicionan a las baterías de ion-litio. Si estos sistemas pueden diseñarse con suficiente eficiencia, podrían formar parte de la combinación de almacenamiento de larga duración necesaria para equilibrar la producción solar y eólica con el paso del tiempo.

El prototipo funcionó, pero la eficiencia sigue siendo el gran reto

Los investigadores combinaron una evaluación experimental y numérica de la batería de Carnot basada en motor Stirling, o SECB, para probar cómo se comportaba el prototipo bajo distintas condiciones. El resultado informado fue mixto, pero útil: temperaturas más altas del motor mejoraron tanto la potencia de salida como la duración de la operación, lo que muestra que la vía básica de conversión funciona como se esperaba. Al mismo tiempo, la eficiencia de ida y vuelta siguió siendo baja.

Según el resumen, las principales razones fueron las pérdidas térmicas y la transferencia de calor limitada dentro del lecho de arena. No son detalles de ingeniería menores. Afectan al corazón de si las baterías térmicas pueden llegar a ser competitivas económicamente como sistemas que devuelven electricidad a la red, en lugar de limitarse a almacenar calor para uso directo.

La distinción importa porque el almacenamiento térmico ya es más fácil de justificar cuando la energía almacenada se utiliza como calor. Una vez que un sistema tiene que reconvertir una parte importante de esa energía en electricidad, cada etapa de pérdida se vuelve más relevante. El resultado de Aalto sugiere que el concepto es técnicamente plausible, pero sigue limitado por un obstáculo familiar: mover y conservar el calor con suficiente eficiencia como para que el ciclo completo resulte convincente.

Por qué las baterías de Carnot siguen atrayendo interés

A pesar de estas limitaciones, las baterías de Carnot ocupan un nicho cada vez más interesante. Los sistemas energéticos con altas proporciones de renovables necesitan múltiples formas de almacenamiento, no solo baterías de respuesta rápida para el equilibrio a corto plazo. También necesitan tecnologías capaces de absorber excedentes de electricidad, retenerlos a menor coste durante periodos más largos y descargarlos cuando la red los necesita.

El almacenamiento térmico ofrece una vía hacia ese objetivo, especialmente cuando se combina con materiales simples o abundantes. La arena ya ha atraído atención en otros diseños de almacenamiento de calor porque es barata, no inflamable y fácil de conseguir. Lo que añade el diseño basado en motor Stirling es un intento de cerrar el ciclo hasta la salida eléctrica.

Un motor Stirling es un motor térmico de ciclo cerrado que utiliza un gas de trabajo permanente, como aire u otro gas, para generar movimiento mecánico a partir de diferencias de temperatura. En teoría, eso lo convierte en un candidato natural para extraer trabajo útil de un reservorio térmico almacenado. En la práctica, el sistema todavía debe gestionar aislamiento, intercambio de calor y pérdidas de conversión con suficiente disciplina como para no desperdiciar la ventaja de bajo coste del medio de almacenamiento.

El valor de este resultado es que es concreto

Los conceptos de almacenamiento de energía suelen circular como simulaciones o propuestas de diseño de alto nivel. Lo que hace que el trabajo de Aalto merezca atención es que avanza el debate mediante un prototipo construido y resultados medidos. Incluso una demostración de baja eficiencia puede ser valiosa si aclara qué pérdidas dominan y qué cambios de diseño importan más.

Aquí, la fuente señala dos áreas que probablemente definirían la siguiente etapa de desarrollo. Una es reducir las pérdidas térmicas para que el calor almacenado siga disponible el tiempo suficiente como para justificar el ciclo de carga y descarga. La otra es mejorar la transferencia de calor en el lecho de arena para que el sistema pueda acceder de forma más eficaz a la energía almacenada. Ambas son cuestiones de diseño y materiales, pero también determinan el caso económico.

Si unas temperaturas más altas mejoran el rendimiento, entonces el sistema podría beneficiarse de configuraciones que toleren y aprovechen mejor condiciones de operación elevadas. Pero esas ganancias tienen que equilibrarse con la durabilidad, la complejidad del sistema y el coste. Una batería térmica solo se vuelve atractiva a escala de red si su simplicidad sobrevive a la ingeniería necesaria para aumentar su producción.

Dónde encaja esto en el panorama del almacenamiento

Es poco probable que el prototipo de Aalto desplace pronto a los sistemas de baterías consolidados. Su baja eficiencia de ida y vuelta lo deja claro. Pero eso no significa que el concepto sea marginal. Los mercados de almacenamiento se están ampliando, y no todas las tecnologías tienen que resolver el mismo problema. Algunas se optimizarán para respuesta en frecuencia, otras para arbitraje de varias horas, otras para calor industrial o equilibrio estacional.

En ese panorama, una batería de Carnot basada en arena podría volverse relevante si madura hasta convertirse en una opción de bajo coste para situaciones en las que el medio de almacenamiento barato y la larga duración importan más que la eficiencia máxima. Es una propuesta difícil, pero no inverosímil si mejoras de ingeniería reducen de forma significativa las pérdidas.

Por ahora, la conclusión más clara es que la promesa del almacenamiento térmico de electricidad basado en arena sigue siendo real, pero no está resuelta. El prototipo de Aalto demuestra que la idea puede funcionar en principio. También demuestra que hacerla funcionar bien es el paso más difícil e importante.

Este artículo se basa en una cobertura de PV Magazine. Leer el artículo original.