Guardar calor y frío

Agua, sales, roca, hielo y edificios como almacenes energéticos. Teoría, fórmulas, ejemplos resueltos y aplicaciones.

A veces es absurdo convertir dos veces

Por qué guardar calor directamente, en vez de pasar por electricidad

Si el servicio final que se necesita es calor o frío —calefacción de un edificio, agua caliente sanitaria, refrigeración industrial, o vapor para mover una turbina—, convertir esa energía primero en electricidad, después almacenarla químicamente en una batería, y finalmente volver a convertirla en calor mediante una resistencia eléctrica es, en muchos casos, un rodeo innecesario que pierde eficiencia en cada conversión. Cuando el servicio final es térmico, puede ser mucho más sencillo y eficiente almacenar directamente ese calor o ese frío, sin pasar por la electricidad como intermediaria. Un depósito de agua caliente, un tanque de sales fundidas, un bloque de roca, hormigón, materiales especializados de cambio de fase, o incluso hielo, reciben energía térmica cuando conviene generarla o capturarla, y la devuelven después, cuando hace falta, sin necesidad de esa doble conversión.

Los materiales importan tanto como el diseño

Cada material de almacenamiento térmico tiene su propio perfil de ventajas y limitaciones. El agua es barata, abundante y fácil de manejar, pero necesita un volumen considerable para almacenar cantidades significativas de energía, y requiere un buen aislamiento para no perder calor rápidamente. Las sales fundidas —usadas en plantas de energía solar de concentración a gran escala— pueden operar a temperaturas muy altas, lo que permite almacenar mucha más energía por unidad de volumen que el agua, pero pueden corroer los materiales que las contienen o solidificarse si la temperatura cae por debajo de un umbral crítico, complicando la operación. El hielo permite desplazar en el tiempo el consumo eléctrico de refrigeración —producirlo de madrugada, cuando la electricidad suele ser más barata y limpia, y usarlo para refrigerar durante las horas de mayor demanda—. Incluso la propia masa térmica de un edificio —sus muros, su estructura— puede suavizar los cambios de temperatura interior a lo largo del día sin necesidad de un depósito separado en absoluto, si el diseño arquitectónico lo aprovecha bien. Bombas, intercambiadores de calor, tuberías y un aislamiento adecuado forman, en cualquier caso, el sistema completo que hace posible mover ese calor de un punto a otro y conservarlo durante el tiempo necesario.

Un ejemplo a gran escala: sales fundidas en plantas solares

Las centrales de energía solar de concentración más avanzadas, como Gemasolar en España o Crescent Dunes en Estados Unidos, usan un campo de espejos para concentrar la luz solar sobre una torre central, calentando sales fundidas hasta temperaturas de varios cientos de grados. Esas sales calientes se almacenan después en un tanque aislado, y pueden usarse horas más tarde —incluso durante toda la noche— para producir vapor y generar electricidad exactamente igual que si el sol siguiera brillando. Esta capacidad de «guardar sol para usarlo de noche» es precisamente lo que distingue a la energía solar de concentración con almacenamiento térmico de la energía solar fotovoltaica convencional, que deja de generar en cuanto se pone el sol.

Las pérdidas de calor son inevitables, pero manejables

Cualquier sistema de almacenamiento térmico pierde calor con el paso del tiempo, simplemente porque el calor tiende siempre a fluir desde donde hay más temperatura hacia donde hay menos. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el material de almacenamiento y su entorno, y cuanto peor sea el aislamiento del depósito, más rápido se pierde esa calidad energética almacenada. Aun así, muchos de estos materiales son abundantes y baratos, pueden soportar muchísimos ciclos de carga y descarga térmica sin degradarse de forma significativa —a diferencia de una batería química, que sí se degrada con cada ciclo—, y para el servicio térmico concreto que prestan, evitan por completo la necesidad de una batería electroquímica más cara y con su propia cadena de materiales críticos.

El almacén más barato empieza reduciendo pérdidas, no agrandando el depósito

Antes de plantearse construir o agrandar un depósito de almacenamiento térmico, la primera prioridad económica y ambiental es siempre mejorar el aislamiento y el control del sistema existente: reducir las pérdidas evitables es casi siempre más barato que almacenar más energía para compensar esas mismas pérdidas. Al comparar opciones de almacenamiento térmico, conviene fijarse en la temperatura útil que se necesita, la duración real del almacenamiento requerido, el espacio disponible, los materiales necesarios, el riesgo de corrosión, el mantenimiento a largo plazo y el destino final de esos materiales al final de la vida de la instalación. Y conviene recordar siempre que un kilovatio-hora térmico no equivale automáticamente a un kilovatio-hora eléctrico: presta un servicio distinto, y comparar ambos sin esa distinción lleva a conclusiones erróneas.

El almacén empieza reduciendo pérdidas

A favor: evita la doble conversión electricidad-calor-electricidad cuando el servicio final es térmico; muchos materiales son baratos, abundantes y toleran muchísimos ciclos sin degradarse como una batería química.

A vigilar: las pérdidas de calor son inevitables y se aceleran con peor aislamiento y mayor diferencia de temperatura con el entorno; materiales como las sales fundidas pueden corroer equipos o solidificarse fuera de su rango de temperatura de diseño.

Antes de agrandar un depósito: mejora primero el aislamiento y el control del sistema existente — reducir pérdidas evitables suele ser más barato que almacenar más energía para compensarlas.

No confundas un kWh térmico con un kWh eléctrico. Prestan servicios distintos, y compararlos sin esa distinción lleva a conclusiones erróneas sobre qué tecnología conviene en cada caso.

Los números, con su origen

Diez horas de electricidad, guardadas como calor

La planta de Crescent Dunes (Nevada, EE. UU.) tiene una potencia de 110 MW y una capacidad de almacenamiento térmico de 10 horas a plena potencia, equivalentes a 1,1 GWh de energía almacenada en forma de sales fundidas calentadas a más de 550°C. Esa capacidad le permite seguir generando electricidad muchas horas después de la puesta de sol, e incluso operar exclusivamente de noche cuando así lo requiere la red, algo imposible para una planta solar fotovoltaica sin almacenamiento independiente. La planta española Gemasolar, de 50 MW, fue un precursor a menor escala de esta misma tecnología de torre central con sales fundidas.

Fuentes: Interconnection.fyi — Crescent Dunes Solar Energy plant data; Inside Climate News — 24-Hour Solar Energy: Molten Salt Makes It Possible.

Por qué esto no compite con una batería, compite con la noche

La comparación relevante para el almacenamiento térmico de una planta solar de concentración no es «¿esto es mejor que una batería?», sino «¿esto permite entregar electricidad cuando el sol ya se ha puesto, con un coste razonable por cada hora adicional de autonomía?». Diez horas de almacenamiento a plena potencia es una escala de tiempo muy superior a la que resulta económica hoy para la mayoría de las baterías químicas de gran escala, precisamente porque el material de almacenamiento —sal fundida, relativamente barata— no se degrada con cada ciclo del mismo modo que lo hace una celda química.

Qué falta en esta tabla

Esta cifra describe una única planta de referencia; el rendimiento real de un sistema de sales fundidas concreto depende del diseño de la torre, de la formulación exacta de la sal usada, del aislamiento del tanque de almacenamiento y del clima local — no existe una cifra universal de «horas de almacenamiento» aplicable a cualquier planta de energía solar de concentración.

Fuentes