¿Qué son las baterías de arena? Todo lo que necesitas saber

Las noticias sobre una batería de arena de Finlandia recientemente ocuparon los titulares, aunque ese sistema solo almacenaba y liberaba calor.

El almacenamiento de calor térmico no es una tecnología nueva, pero este proyecto piloto destaca algunas de las posibilidades futuras de las tecnologías y sistemas de energía verde.

Esta publicación analiza la tecnología que rodea a la arena para el almacenamiento de energía, así como tecnologías similares, y lo que significan para el mundo.

¿Energía de la arena?

La arena natural posee muchas cualidades que la convierten en un medio ideal para el almacenamiento de energía térmica. Puede calentarlo a temperaturas superiores a 1000 °C (1832 °F) sin problemas y puede mantener ese calor durante días, semanas e incluso meses con una pérdida mínima.

Si consideras que una batería es un medio para almacenar energía que se produjo en un momento determinado, por lo que podría usarse en otro momento, entonces la arena que se calienta con energía eléctrica para su almacenamiento y uso posterior, es una batería.

La batería de arena viral de Finlandia

En el distrito finlandés occidental de Kankaanpaa se encuentra un sistema de energía de almacenamiento de calor patentado desarrollado por Polar Night. Utiliza energía eléctrica sobrante de fuentes renovables para calentar arena en un silo de 7 metros de alto y 4 metros de ancho hasta 600°C (1,112°F) para su almacenamiento y posterior utilización en la red de calefacción urbana.

Algunas cosas son importantes a tener en cuenta aquí. En primer lugar, la energía utilizada es generación excedentaria a partir de fuentes renovables como la eólica y la solar. Esto elimina cualquier comparación objetiva con otros sistemas de almacenamiento de energía con fines comerciales.

En segundo lugar, el sistema se utiliza únicamente para el almacenamiento y suministro térmico, es decir, la energía eléctrica se convierte en calor y se almacena en la arena. Luego, cuando es necesario, el calor se extrae y distribuye a los hogares y fábricas donde se necesita.

En tercer lugar, la arena natural puede contener una cantidad de energía bastante impresionante. Por ejemplo, esta batería finlandesa de la Noche Polar contiene 100 toneladas de arena a unos 600 grados Celsius, para un total de 8MWh de energía almacenada con una capacidad de calefacción de 100kW. Esto hace que la arena sea un medio de almacenamiento de energía increíblemente barato sin tecnologías sofisticadas, instalaciones o requisitos peligrosos.

Acerca del almacenamiento de energía térmica estacional

El almacenamiento de energía térmica estacional o STES, para abreviar, existe desde hace mucho tiempo. En su forma más simple, podría recolectar agua caliente del techo durante el verano y guardarla en un tanque subterráneo, que luego puede usar para calefacción durante el invierno.

Sin embargo, la mayoría de los sistemas STES almacenan calor a menos de 100 °C, lo que los hace aptos para calentar hogares y oficinas, pero menos ideales para otros usos industriales o generación de energía.

El método es simple, expone cualquier medio que pueda atrapar y retener el calor a una fuente de radiación, como el sol, el calor residual industrial, etc. La eficiencia del sistema depende del método de intercambio de calor y su eficiencia.

A continuación, deberá almacenar el medio calentado en un recinto aislado, para minimizar la pérdida de energía. Algunos recintos pueden retener bien el calor durante muchos meses.

Finalmente, el medio de almacenamiento se bombea durante el invierno para proporcionar calefacción a hogares y oficinas al pasarlo a través de otro intercambiador de calor, como un calentador de radiador. Los materiales comunes utilizados como medios de almacenamiento de STES incluyen agua, aceite, suelo, hidratos de sal, etc.

Usos populares de la energía térmica almacenada

La energía térmica almacenada tiene muchos usos, dependiendo de la aplicación prevista. Aquí están los más populares:

1. Calefacción de hogares y oficinas : la energía térmica almacenada puede calentar fácilmente los espacios habitables y de trabajo en invierno.
   
2. Agua caliente : el calor también se puede transferir para proporcionar agua caliente siempre lista para los usos diarios.
   
3. Aplicaciones industriales : el agua caliente se utiliza para una amplia gama de aplicaciones industriales, desde la mezcla hasta la limpieza, el procesamiento de alimentos, la fabricación de solventes, la esterilización y mucho más.
   
4. Producción de electricidad : también puede utilizar la energía térmica almacenada para calentar agua hasta convertirla en vapor y hacer que impulse turbinas, que a su vez impulsan alternadores que producen energía eléctrica.

La economía de una batería de arena

El agua puede almacenar más energía en comparación con la arena, pero se vuelve inestable a partir de los 100 °C (212 °F), mientras que la arena puede contener fácilmente temperaturas de 600 °C (1112 °F).

El agua también retendrá su energía térmica por más tiempo que la arena, lo que hace que el agua sea un mejor medio para el almacenamiento de energía estacional. Sin embargo, si está considerando una aplicación que consuma el calor en cuestión de horas o solo unos pocos días, entonces la arena vuelve a ser una de las mejores opciones. Es perfecto para complementar fuentes de energía intermitentes como la solar fotovoltaica y la eólica.

Volviendo a la batería de arena finlandesa, el contenedor de acero de 7 metros de altura está diseñado para 100 toneladas de arena, que contienen hasta 8 MWh de energía.

Para ponerlo en perspectiva, el hogar estadounidense promedio usa alrededor de 10MWh de energía por año, mientras que ese número varía en Europa desde alrededor de 2MWh en Rumania a 9MWh en Suecia. Además, el 30-50% de la energía se utiliza para calefacción durante el invierno.

Esto significa que un depósito de arena de 7 metros de altura puede producir suficiente energía para calentar algunas casas durante el invierno y dependiendo de su ubicación. Pero sería una aplicación poco práctica en núcleos urbanos densos, dado su tamaño.

Por otra parte, convertir su capacidad de calefacción de 100 kW en electricidad al 30 % puede producir suficiente energía para más de 20 hogares durante el día y muchos más durante la noche.

Por lo tanto, correctamente optimizada, una batería de arena que cuesta alrededor de $5 por kWh de capacidad puede ser una excelente alternativa al costo actual de más de $100 por kWh para los sistemas de baterías de plomo-ácido y de iones de litio. Sí, puede ser más voluminoso, pero es mucho más barato.

Baterías de arena para generación de electricidad

El almacenamiento de energía térmica para su uso posterior en la generación de electricidad es una tecnología probada y confiable que se ha implementado en proyectos de energía solar concentrada (CSP) durante décadas.

La energía en un sistema de CSP moderno queda atrapada al concentrar cientos o miles de espejos en un solo horno. Estos espejos siguen al sol durante el día para garantizar un calor constante en el horno hasta 565 °C (1049 °F).

Las instalaciones de CSP suelen ser muy grandes, con una superficie de millones de pies cuadrados (~1+ km2), con sus receptores solares en el centro y capacidades de generación eléctrica en el rango de más de 100 megavatios.

Se utiliza una mezcla de sales fundidas con un 60 % de nitrato de sodio y un 40 % de nitrato de potasio para almacenar energía en los sistemas CSP para la generación nocturna. Sin embargo, a diferencia de la batería de arena, esta mezcla de sal se derrite a altas temperaturas para que fluya como un fluido.

Tanto los sistemas de batería CSP como los de arena convierten la energía solar en energía térmica con eficiencias aproximadamente iguales del 15 al 20 %. Pero mientras que los sistemas de sal fundida CSP tienen una eficiencia de alrededor del 50 % en la conversión del calor almacenado en electricidad, la batería de arena finlandesa tiene una eficiencia teórica del 20-25 %.

Los sistemas de CSP son comercialmente viables, por lo que si puede ajustar esta batería finlandesa para obtener una eficiencia de conversión de calor a electricidad superior al 30 %, entonces puede convertirse en una tecnología viable para almacenar y suministrar electricidad renovable de manera económica.

Tecnologías de almacenamiento similares

Hay muchas otras formas de almacenamiento de energía, cada una con sus pros y sus contras. Los tipos más populares incluyen:

1. Almacenamiento de energía electroquímica : como encontraría en las baterías, esto aprovecha la diferencia de potencial entre dos elementos para almacenar y liberar energía mediante reacciones electroquímicas reversibles.
   
2. Almacenamiento de energía mecánica : implica diferentes métodos, incluido el uso de volantes y resortes, así como sistemas gravitacionales que almacenan energía en un objeto al levantarlo y aumentar su altitud.
   
3. Almacenamiento de energía en sales fundidas (MSES) : el almacenamiento aquí es térmico, por ejemplo, mediante el uso de una combinación de 60 % de nitrato de sodio y 40 % de nitrato de potasio.
   
4. Agua caliente térmica : este método puede almacenar hasta 6 kWh de energía en un tanque de agua caliente de 50 galones.
   
5. Bombeo hidroeléctrico : la forma más barata de almacenamiento de energía. Su principal problema, sin embargo, son las ubicaciones limitadas donde se puede implementar.
   
6. Aire comprimido : similar a la hidroeléctrica, este método simplemente comprime el aire para almacenar energía. Luego, cuando necesita la energía, libera el aire comprimido para impulsar una turbina.
   
7. Volante : simplemente usa energía para hacer girar una rueda bien equilibrada, almacenándola como energía cinética que puede usarse para locomoción o generación de energía eléctrica.
   
8. Batería de flujo : este es un sistema de almacenamiento electroquímico donde los electrolitos están en diferentes tanques y tienen que fluir desde un tanque completamente cargado hasta un tanque de carga vacío. Luego, para cargar los electrolitos, simplemente invierte el flujo. Este método puede producir baterías muy poderosas ya que los dos electrolitos interactúan a través de una membrana que puede escalar ampliamente.
   
9. Materiales de cambio de fase : estos materiales absorben energía a medida que se derriten y luego la liberan a medida que se solidifican. Son ideales para almacenar energía térmica a temperaturas precisas.

Preguntas frecuentes (FAQ)

Conclusión

Hemos llegado al final de esta exploración de las baterías de arena y su potencial económico. Y como te habrás dado cuenta, ofrecen muchas posibilidades.

Desde el suministro de calor a las comunidades hasta la generación de energía eléctrica, el bajo precio de la arena de sílice la convierte en un medio prometedor para futuros proyectos energéticos.