Ingeniería química para el almacenamiento de energía

Los altos cargos de los gobiernos y los expertos en energía creen que los coches eléctricos desempeñarán un papel muy importante en el futuro mix energético. Para empezar, los países tienen la esperanza de reducir su dependencia de las importaciones de petróleo y, además, los coches eléctricos conectados a estaciones de carga se pueden utilizar para almacenar energía renovable, devolviendo la electricidad a la red durante los periodos de picos de demanda (V2G, ‘Vehicle to Grid’ – ‘Del vehículo a la Red’, ). Este concepto de distribución de energía también podría resolver el problema de la inestabilidad de la red.

La industria química es un elemento esencial. BASF, el fabricante de productos químicos, anunció recientemente planes para invertir más de 100 millones de euros durante los próximos 5 años en I+D y el inicio de producción de nuevos materiales para las baterías. Parte del dinero se empleará en unas instalaciones de producción de materiales catódicos avanzados en Elyria, Ohio. En esta nueva planta se invertirán más de 50 millones de dólares y se espera que la fabricación de materiales catódicos para baterías de iones de litio de alto rendimiento esté en marcha para mediados de 2012. “Estamos desarrollando tecnologías innovadoras de almacenamiento porque la energía de fuentes renovables no está disponible las 24 horas del día, los 7 días de la semana, los 365 días del año, especialmente en la latitud en la que vivimos”, explicó el doctor Andreas Kreimeyer, responsable de investigación en la Junta Ejecutiva de BASF.

Evonik, un competidor de BASF, también está trabajando en sistemas de baterías. La compañía ha unido sus fuerzas con otros asociados para construir la batería de cerámica de litio más grande del mundo. Usando una combinación especial de cerámicas y conductores de iones de alto peso molecular, el consorcio está intentando incrementar la densidad energética y maximizar el ciclo de vida. La unidad de almacenamiento de electricidad se está construyendo en una central eléctrica de la región de Saar y tendrá una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 700 kWh. Si esta unidad de almacenamiento se cargara y descargara cada quince minutos, teóricamente podría suministrar electricidad suficiente para 4000 viviendas. Ya hay planes en marcha para incrementar la capacidad a 10 MW. “Estamos capitalizando nuestros conocimientos en iones de litio para penetrar en un mercado completamente nuevo”, dijo el Dr. Klaus Engel, Presidente de la Junta Ejecutiva de Evonik. “Por primera vez, la tecnología de cerámica de litio nos permitirá separar generación y consumo con un coste viable. Podremos estabilizar fluctuaciones en la red causadas por la generación solar y eólica y eso incrementará la eficiencia general. Como el sector de la automoción, este mercado valdrá miles de millones”, afirmó Engel. Los expertos predicen que el mercado de sistemas de almacenamiento de energía de tecnología de vanguardia con el tiempo superará los 10.000 millones de euros.

Solamente en Alemania, la demanda de sistemas de almacenamiento de energía de tecnología de vanguardia estará en la banda de los tres dígitos de MW. El objetivo de la iniciativa de investigación a tres años LIB 2015, que está recibiendo financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), es desarrollar megabaterías para aplicaciones estáticas. Al amparo de la Alianza para la Innovación de la Batería de Iones de Litio LIB 2015, un consorcio de la industria compuesto por BASF, Bosch, Evonik, LiTec y VW, ha destinado 360 millones de euros a la investigación y desarrollo de la batería de iones de litio. El Ministerio Federal de Educación e Investigación aportará 60 millones de euros para este campo de investigación.

Los sistemas de almacenamiento electroquímico escalable de energía en la banda de los 100 kW a los 5 Mw van a ser necesarios para almacenar grandes cantidades de energía. En esta área las baterías de flujo redox parecen tener un potencial muy significativo. Con este tipo de batería la electricidad se almacena como energía química en pares redox que se mantienen en tanques externos. La electricidad se genera en un reactor aparte mientras el electrolito circula continuamente a los electrodos desde los tanques de almacenamiento. La dirección del flujo del electrolito se invierte para cargar. El tamaño del tanque proporciona escalabilidad de almacenamiento y la eficiencia puede llegar a ser hasta del 80%. En el Instituto Fraunhofer ICT de Pfinztal se ha desarrollado una batería prototipo de flujo de redox para probar varios materiales de electrodos, membranas y electrolitos. El objetivo a largo plazo es construir una batería de 20 MWh que sea capaz de suministrar electricidad a aproximadamente 2.000 viviendas cuando la energía renovable no esté disponible.

Además de las tecnologías de baterías aquí descritas hay algunas otras y algunas ya están funcionando (por ejemplo las baterías de sulfuro de sodio), pero la mayoría están aún en fase de investigación. La densidad energética es un factor importante a tener en cuenta cuando se evalúa el futuro potencial energético. La densidad energética de las baterías de NaS es de 150 kWh/m3 en comparación con los 70 kWh/m3 de las baterías de plomo. Las baterías de iones de litio tienen una densidad energética aún mayor (350 kWh/m3).

El almacenamiento de hidrógeno proporciona una densidad energética aún mayor que las baterías. Básicamente, se trata de usar el exceso de electricidad para descomponer el agua por electrólisis. A continuación, el hidrógeno se almacena en grutas subterráneas. Se pueden almacenar hasta 350 kWh por metro cúbico a presiones de hasta 350 bar, un factor de más de 100 en comparación con el almacenamiento de aire comprimido. El primer reto es el de mejorar las técnicas de electrólisis (una eficiencia aproximada del 75%). Por otra parte, serán necesarios avances en la tecnología de la central eléctrica para generar energía con el hidrógeno almacenado (la eficiencia de la turbina de vapor es aproximadamente del 60%), así que no es un problema trivial.

No obstante, el almacenamiento de hidrógeno tiene un gran potencial. El hidrógeno no es solo una fuente de energía almacenada sino que también se usa para sintetizar un gran número de productos químicos, entre ellos el metano y el metanol, así como muchos productos químicos básicos y especiales. El hidrógeno se utiliza en las células de combustible y en los vehículos impulsados por hidrógeno. Hasta ahora, el gas natural ha constituido la principal fuente de hidrógeno en la industria química. El hidrógeno producido con electricidad ecológica sería una opción libre de CO₂ viable. Siemens, entre otros, está buscando formas de optimizar la electrólisis del agua para aplicaciones comerciales. Los nuevos materiales de membrana y los colectores de corriente fabricados con metal poroso sinterizado en los electrodos garantizan el poder anticiparse en milisegundos a los cambios en el suministro de corriente, y se pueden incrementar la salida y la presión de funcionamiento nominales. Hay planes para construir en 2012 un contenedor de demostración de 300 kW basado en la tecnología de Membrana de Intercambio de Protones.

Los resultados proporcionarán también información al proyecto CO2RRECT (Reacción del CO₂ usando Energías Regenerativas y Tecnologías Catalíticas), una empresa conjunta de investigación en la que participan la comunidad académica y Bayer, RWE y Siemens, que está estudiando formas de utilizar el dióxido de carbono como recurso con la ayuda de energía renovable.

El almacenamiento térmico será otra tecnología clave en el futuro. La calefacción supone aproximadamente la mitad del consumo de energía en Europa. Además de la necesidad de mantener caldeados los edificios, el procesamiento industrial es otro factor importante en el consumo de calor. Para incrementar la eficiencia del almacenamiento de aire comprimido (ver más arriba), es necesario almacenar el calor que se genera durante el proceso de compresión, para que pueda ser utilizado más tarde en la generación de electricidad. El almacenamiento térmico también es vital en las estaciones solares térmicas que utilizan espejos cóncavos para concentrar el calor solar y generar vapor para las turbinas. Con el calor almacenado se puede generar electricidad incluso aunque no haya luz solar (por ejemplo, de noche). Una vez más, los aspectos económicos son críticos. La generación de electricidad las 24 h del día, los 7 días de la semana solo resulta rentable y adecuada para cubrir la demanda básica y los costes de almacenamiento quedan por debajo de los 10 a 20/kWh.

Actualmente hay cuatro métodos básicos para almacenar el calor:

• Almacenamiento de calor sensible
• Almacenamiento de calor latente
• Almacenamiento de calor de absorción
• Almacenamiento químico

No hay un único sistema térmico para almacenar electricidad que pueda considerarse el mejor. Los sistemas de almacenamiento tienen que seleccionarse y compatibilizarse cuidadosamente con la aplicación específica. Como normalmente es más eficiente generar calor a partir de energía primaria, el desarrollo de sistemas de almacenamiento térmico para aplicaciones industriales aún está en pañales. El almacenamiento de calor sensible es actualmente la solución más extendida y factible. El calentamiento del espacio en edificios es un buen ejemplo de ello. En este tipo de sistema, la temperatura del medio de transferencia de calor (por ejemplo, el agua) cambia perceptiblemente (es decir, que se puede observar) cuando hay transferencia de calor de entrada y de salida.

Uno de los últimos avances es una técnica desarrollada por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) para almacenar energía de radiación solar en sólidos de bajo coste. Actualmente se está construyendo una planta de demostración de 500 kWh en Stuttgart. Se espera que en 2013 estén disponibles los resultados de las pruebas realizadas a 400 °C. Lo que distingue a la tecnología de almacenamiento CellFlux es su compatibilidad con distintos tipos de medios de transferencia de calor, incluyendo aceite, vapor y sal fundida, lo que la hace adecuada para cualquier tipo de central térmica solar. El sistema de almacenamiento está compuesto de módulos individuales (celdas) y almacena calor en el material sólido. Dentro de las celdas un intercambiador de calor transfiere la energía calorífica a una corriente de aire que fluye a través del material sólido de almacenamiento y le transfiere calor. El proceso se invierte para extraer el calor. A diferencia de los sistemas de almacenamiento en que la sal fundida ha de mantenerse a 230 °C para evitar la cristalización, los sistemas de almacenamiento sólidos se pueden operar a temperaturas más bajas, con lo que los costes de inversión de capital son también menores.

A diferencia de los sistemas de almacenamiento de calor sensible, la temperatura de los sistemas de almacenamiento de calor latente se mantiene esencialmente constante mientras capturan o liberan calor. Todo el mundo sabe que se pueden usar cubos de hielo para mantener frías las bebidas. Si hay hielo suficiente, la temperatura dentro del vaso se mantiene a una temperatura constante de 0 °C hasta que se haya fundido todo el hielo. Los sistemas de almacenamiento de calor latente tienen una densidad energética mucho mayor. La cantidad de energía que funde el hielo podría calentar una cantidad equivalente de agua de los 0 °C a los 80 °C. Debido a este efecto, unido al hecho de que estos sistemas se pueden operar a diferenciales de temperatura mucho menores, el almacenamiento de energía latente parece tener un gran potencial para las aplicaciones de la industria.

El aire acondicionado es un buen ejemplo de almacenamiento de energía latente. En los últimos años se han desarrollado materiales de construcción para refrigerar edificios durante el día y calentarlos por la noche. Un equipo del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar (ISE) y BASF ha desarrollado un proceso para encapsular gotas de cera de parafina, que actúan como Material de Cambio de Fase (PCM), dentro de esferas huecas de vidrio acrílico. Las esferas se pueden mezclar después con el mortero o el yeso.

Hay otras sustancias, además de la cera de parafina, como hidratos de sal y mezclas de sales (por ejemplo nitrato de sodio y potasio) que también son adecuadas para el almacenamiento de energía latente. A pesar de todo, la transferencia térmica sigue siendo el mayor obstáculo en el camino de esta tecnología tan prometedora. El coeficiente de transferencia térmica depende de la conductividad térmica del material sólido de almacenamiento, que normalmente es bastante bajo para los sólidos orgánicos e inorgánicos. Por esto, los investigadores están intentando incrementar la conductividad térmica y la superficie de intercambio térmico. Además del micro-encapsulado en materiales de construcción (antes comentado), los equipos de desarrollo de sistemas de almacenamiento térmico industrial están investigando el macro-encapsulado de hidrato de sal en grafito y la ampliación de la superficie de transferencia térmica diseñando aletas de acero y grafito que irían dentro de los sistemas de almacenamiento de energía latente. Otro enfoque interesante es el uso de Material de Cambio de Fase en fluidos de transferencia de calor para aumentar enormemente la capacidad dentro de un rango de temperaturas definido y limitado.

El almacenamiento de energía de absorción (SES) está basado en el siguiente efecto: cuando las moléculas de gas se acumulan en ciertas superficies (por ejemplo, las zeolitas), el calor de evaporación se libera y cuando la sustancia se evapora, el calor es retirado del entorno. Entre los ejemplos podemos citar los barriles de cerveza autoenfriado y el enfriado de bebidas en vasijas de barro. La complejidad del equipamiento hace que esta tecnología sea relativamente cara para el uso industrial. La investigación actual se centra principalmente en desarrollar materiales con una absorción altamente eficiente.

De todas las tecnologías de almacenamiento de energía térmica, el almacenamiento químico es el que tiene la mayor densidad térmica. Se aplica calor a un compuesto químico para descomponerlo en las partes que lo constituyen, que después se almacenan por separado. La energía térmica se recupera al permitir la reacción de los componentes químicos, lo que produce calor (reacción inversa exotérmica). Se espera que las reacciones gas-sólido sean las que tengan el mayor potencial debido a las altas densidades de almacenamiento y a la larga duración del mismo. La lista de posibles reacciones incluye la deshidratación de hidratos de sal o hidróxidos de metales (por ejemplo, sulfato hidrato de magnesio o cobre o Mg-, Ca- o Ba(OH)2), descarboxilación de carbonatos de zinc, magnesio o calcio a óxidos metálicos y desoxigenación de óxidos metálicos (BaO₂ o KO₂), dado que todas son reacciones endotérmicas y reversibles que tienen lugar en una amplia banda de temperaturas entre los 100 °C y los 1.000 °C, dependiendo de la reacción. El Centro Aeroespacial Alemán está investigando actualmente el almacenamiento de calor termoquímico en el proyecto CWS del Ministerio Federal de Economía y Tecnología.

Las energías renovables plantean un importante reto a la industria eléctrica. Las tecnologías de almacenamiento desempeñarán un papel muy importante. Para las compañías industriales que sean capaces de utilizar el calor del proceso de producción en sistemas CHP, el almacenamiento de la energía térmica supondrá una importante contribución a su eficiencia energética. La industria química tiene la clave para el desarrollo de estas tecnologías.