“Sol en la caja” almacenaría energía renovable para la red

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El diseño para el sistema que proporciona energía solar o eólica bajo demanda debe ser más económico que otras opciones líderes

Los ingenieros de MIT han ideado un diseño conceptual para un sistema para almacenar energía renovable, como la energía solar y eólica, y devolver esa energía a una red eléctrica bajo demanda. El sistema puede estar diseñado para alimentar una ciudad pequeña no solo cuando el sol está alto o el viento es alto, sino todo el día.

El nuevo diseño almacena el calor generado por el exceso de electricidad proveniente de la energía solar o eólica en grandes tanques de silicio fundido al calor, y luego convierte la luz del metal incandescente en electricidad cuando se necesita. Los investigadores estiman que un sistema de este tipo sería mucho más asequible que las baterías de iones de litio, que se han propuesto como un método viable, aunque costoso, para almacenar energía renovable. También estiman que el sistema costaría aproximadamente la mitad que el almacenamiento hidroeléctrico bombeado, la forma más barata de almacenamiento de energía a escala de la red hasta la fecha.

“Incluso si quisiéramos ejecutar la red de fuentes renovables en este momento, no podríamos, porque necesitaríamos turbinas de combustible fósil para compensar el hecho de que el suministro renovable no se puede enviar bajo demanda”, dice Asegun Henry, Robert. N. Noyce Profesor asociado de desarrollo de carrera en el Departamento de Ingeniería Mecánica. “Estamos desarrollando una nueva tecnología que, de ser exitosa, resolvería este problema más importante y crítico en energía y cambio climático, a saber, el problema de almacenamiento”.

Henry y sus colegas han publicado hoy su diseño en la revista Energy and Environmental Science .

Temperaturas récord

El nuevo sistema de almacenamiento proviene de un proyecto en el que los investigadores buscaron formas de aumentar la eficiencia de una forma de energía renovable conocida como energía solar concentrada. A diferencia de las plantas solares convencionales que usan paneles solares para convertir la luz directamente en electricidad, la energía solar concentrada requiere vastos campos de enormes espejos que concentran la luz solar en una torre central, donde la luz se convierte en calor que finalmente se convierte en electricidad.

“La razón por la que la tecnología es interesante es que, una vez que haces este proceso de enfocar la luz para obtener calor, puedes almacenar el calor a un costo mucho menor que el de la electricidad”, señala Henry.

Las plantas solares concentradas almacenan calor solar en tanques grandes llenos de sal fundida, que se calienta a altas temperaturas de alrededor de 1,000 grados Fahrenheit. Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a través de un intercambiador de calor, que transfiere el calor de la sal al vapor. Una turbina convierte ese vapor en electricidad.

“Esta tecnología ha existido por un tiempo, pero el pensamiento ha sido que su costo nunca bajará lo suficiente como para competir con el gas natural”, dice Henry. “Así que hubo un impulso para operar a temperaturas mucho más altas, por lo que podría usar un motor térmico más eficiente y bajar el costo”.

Sin embargo, si los operadores calentaran la sal mucho más allá de las temperaturas actuales, la sal corroería los tanques de acero inoxidable en los que se almacena. Así que el equipo de Henry buscó un medio que no fuera sal que pudiera almacenar calor a temperaturas mucho más altas. Inicialmente propusieron un metal líquido y finalmente se decidieron por el silicio, el metal más abundante en la Tierra, que puede soportar temperaturas increíblemente altas de más de 4,000 grados Fahrenheit.

El año pasado, el equipo desarrolló una bomba que podía soportar ese calor abrasador y posiblemente podría bombear silicio líquido a través de un sistema de almacenamiento renovable. La bomba tiene la tolerancia al calor más alta registrada, una proeza que se observa en “El Libro Guiness de los Récords Mundiales”. Desde ese desarrollo, el equipo ha estado diseñando un sistema de almacenamiento de energía que podría incorporar una bomba de alta temperatura.

“Sol en una caja”

Ahora, los investigadores han esbozado su concepto de un nuevo sistema de almacenamiento de energía renovable, al que llaman TEGS-MPV, para la energía fotovoltaica de almacenamiento de redes de energía térmica. En lugar de utilizar campos de espejos y una torre central para concentrar el calor, proponen convertir la electricidad generada por cualquier fuente renovable, como la luz solar o el viento, en energía térmica, a través del calentamiento en julios, un proceso mediante el cual una corriente eléctrica pasa a través de un calentamiento. elemento.

El sistema podría combinarse con los sistemas de energía renovable existentes, como las células solares, para capturar el exceso de electricidad durante el día y almacenarlo para su uso posterior. Considere, por ejemplo, una pequeña ciudad en Arizona que obtiene una parte de su electricidad de una planta solar.

“Digamos que todos se van a casa del trabajo, encienden sus aparatos de aire acondicionado y el sol se está poniendo, pero aún hace calor”, dice Henry. “En ese momento, la energía fotovoltaica no va a tener mucha salida, por lo que tendría que haber almacenado parte de la energía de antes, como cuando el sol estaba al mediodía. Ese exceso de electricidad podría enviarse al almacenamiento. Sistema que hemos inventado aquí “.

El sistema consistiría en un tanque grande, fuertemente aislado, de 10 metros de ancho, hecho de grafito y lleno de silicio líquido, mantenido a una temperatura “fría” de casi 3,500 grados Fahrenheit. Un banco de tubos, expuesto a elementos de calefacción, luego conecta este tanque frío a un segundo tanque “caliente”. Cuando la electricidad de las células solares de la ciudad entra en el sistema, esta energía se convierte en calor en los elementos de calefacción. Mientras tanto, el silicio líquido se bombea fuera del tanque frío y se calienta aún más a medida que pasa a través del banco de tubos expuestos a los elementos calefactores, y al tanque caliente, donde la energía térmica ahora se almacena a una temperatura mucho más alta de aproximadamente 4,300 F.

Cuando se necesita electricidad, digamos, una vez que se haya puesto el sol, el silicio líquido caliente, tan caliente que brilla en blanco, se bombea a través de una serie de tubos que emiten esa luz. Las células solares especializadas, conocidas como dispositivos fotovoltaicos multifuncionales, convierten esa luz en electricidad, que puede suministrarse a la red de la ciudad. El silicio ahora enfriado se puede bombear nuevamente al tanque frío hasta la siguiente ronda de almacenamiento, actuando efectivamente como una gran batería recargable.

“Uno de los nombres afectuosos que la gente comenzó a llamar nuestro concepto, es ‘sol en una caja’, que fue acuñado por mi colega Shannon Yee en Georgia Tech”, dice Henry. “Es básicamente una fuente de luz extremadamente intensa que está contenida en una caja que atrapa el calor”.

Una clave de almacenamiento

Henry dice que el sistema requeriría tanques lo suficientemente gruesos y fuertes para aislar el líquido fundido.

“Lo que está brillando es blanco caliente en el interior, pero lo que tocas en el exterior debe ser a temperatura ambiente”, dice Henry.

Él ha propuesto que los tanques estén hechos de grafito. Pero existe la preocupación de que el silicio, a temperaturas tan altas, reaccionaría con el grafito para producir carburo de silicio, lo que podría corroer el tanque.

Para probar esta posibilidad, el equipo fabricó un tanque de grafito en miniatura y lo llenó con silicio líquido. Cuando el líquido se mantuvo a 3.600 F durante aproximadamente 60 minutos, se formó carburo de silicio, pero en lugar de corroer el tanque, creó un revestimiento delgado y protector.

“Se adhiere al grafito y forma una capa protectora, impidiendo una mayor reacción”, dice Henry. “Así que puedes construir este tanque con grafito y no se corroe por el silicio”.

El grupo también encontró una manera de sortear otro desafío: como los tanques del sistema tendrían que ser muy grandes, sería imposible construirlos a partir de una sola pieza de grafito. Si, en cambio, estuvieran hechos de múltiples piezas, tendrían que sellarse de tal manera que se evite la fuga del líquido fundido. En su artículo, los investigadores demostraron que podían prevenir cualquier fuga atornillando trozos de grafito con pernos de fibra de carbono y sellando con grafoil – grafito flexible que actúa como un sellador de alta temperatura.

Los investigadores estiman que un solo sistema de almacenamiento podría permitir que una pequeña ciudad de aproximadamente 100,000 hogares sea completamente alimentada por energía renovable.

Henry enfatiza que el diseño del sistema es geográficamente ilimitado, lo que significa que puede ubicarse en cualquier lugar, independientemente del paisaje de una ubicación. Esto contrasta con la hidroeléctrica bombeada: actualmente es la forma más barata de almacenamiento de energía, que requiere ubicaciones que puedan albergar grandes cascadas y represas, para almacenar la energía de la caída de agua.

“Esto es geográficamente ilimitado, y es más barato que la energía hidroeléctrica bombeada, lo que es muy emocionante”, dice Henry. “En teoría, esta es la pieza clave para permitir que la energía renovable alimente toda la red”

Fuente:  por el Instituto de Tecnología de Massachusetts .