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El Instituto Masdar y US Solar Holdings están trabajando actualmente en dos proyectos independientes diseñados para analizar el potencial de la arena como almacenamiento de energía térmica y medio de transferencia térmica para sistemas de CSP. ¿Por qué se está desarrollando esta tecnología? Andrew Williams, CSP Today.
Durante septiembre de 2013, un equipo de investigadores del Instituto Masdar de Ciencia y Tecnología de los Emiratos Árabes presentó un nuevo proyecto denominado Sandstock. Su finalidad es la de desarrollar un receptor solar por gravedad «sostenible y de bajo coste» y un sistema de almacenamiento que emplea partículas de arena como medio de almacenamiento de energía térmica, transferencia térmica y colector térmico.
El concepto del diseño, que se basa en un reloj de arena tradicional, incluye un «depósito frío» donde se almacena la arena al principio antes de que fluya a un «depósito caliente» situado justo debajo. El depósito frío tendrá forma de cilindro hueco diseñado para permitir que el flujo solar de concentración penetre en la parte del cilindro central vacía.
Al abrir una válvula, la arena saldrá del depósito frío y se desplazará hacia abajo por el flujo solar que se emite, donde se calentará. A continuación, se recuperará la arena caliente y se almacenará en el depósito caliente. Estará lista para descargarse cuando lo soliciten.
Asimismo, cuando sea necesario, se introducirá en la arena en movimiento un intercambiador térmico compuesto de tres fases (incluye un calentador previo, un evaporador y un supercalentador) y se producirá vapor sobrecalentado que fluirá a la turbina para generar electricidad.
La arena fría que se ha descargado se transferirá después de vuelta a la parte superior del depósito frío mediante una cinta transportadora mecánica. De esta manera, se crea un proceso continuo de «circuito cerrado».
«Queremos desarrollar un nuevo enfoque sostenible que consiste en el uso de materiales locales en vez de en importar miles de toneladas de nitratos de Chile,» señala Nicolas Calvet, profesor adjunto y responsable del grupo de almacenamiento de energía térmica en el Instituto Masdar de Ciencia y Tecnología. «La arena está disponible en cualquier parte de los Emiratos Árabes Unidos. Es barata y estable a temperaturas elevadas de (hasta) 800 ºC», añade.
Caracterización térmica
Como explica Calvet, la primera fase del proyecto está destinada a identificar y caracterizar los diferentes tipos de arena que existen en los diversos desiertos y regiones costeras del país.
Este proceso de «caracterización térmica» emplea microscopia avanzada para determinar la forma exacta de los granos de arena que se analizan. Es fundamental para descubrir qué granos son los más adecuados para que se transporten mediante gravedad.
También se está llevando a cabo la modelización del sistema Sandstock y Calvet revela que está previsto que uno de sus estudiantes visite el horno solar de 1 MW en Odeillo (Francia) para realizar prácticas durante el verano y así probar la arena en un flujo solar de concentración. Todo ello en el laboratorio Promes CNRS junto a Quentin Falcoz.
Cambio de arena
Hay en marcha otro proyecto en Estados Unidos diseñado para analizar el potencial del uso de arena como medio de almacenamiento de energía térmica. El objetivo del proyecto de US Solar Holdings, financiado como parte de la Iniciativa SunShot del Departamento de Energía estadounidense, es profundizar en el desarrollo de un innovador sistema de almacenamiento de arena en dos silos conocido como SandShifter.
Un enfoque clave de la iniciativa es la «identificación e investigación de asuntos clave» para el concepto del almacenamiento de energía térmica. Todo ello con el objetivo final de resolver estos problemas antes de construir y explotar una instalación de demostración piloto de 1 MW.
Otro resultado que se espera del proyecto incluye un «análisis y una estimación económica» exhaustivos que demostrarán la rentabilidad potencial de la tecnología a una escala superior a los 50 MW.
El equipo del proyecto también espera demostrar que el uso de arena como almacenamiento de energía térmica podría reducir potencialmente los costes a menos de 15 USD/kWth y lograr lo que se conoce como «rendimientos de ida y vuelta» a niveles superiores al 93 %.
Visión de futuro
Según Calvet, las principales ventajas tecnológicas, operativas y económicas de emplear sal para almacenar energía en sistemas de CSP es el hecho de que permite a los desarrolladores lograr una temperatura de trabajo superior a un coste bajo junto al hecho de que la arena también «se mueve fácilmente con la gravedad».
De todas maneras, admite que sigue habiendo varios retos relacionados con la tecnologías, la explotación y la financiación antes de que se pueda implementar la tecnología de almacenamiento energético basado en arena a escala comercial.
«El principal reto tecnológico es cómo cargar el sistema: transportar la arena por gravedad a través del flujo solar de concentración. El proceso de descarga eficiente es un desafío interesante”, indica.
“En primer lugar, queremos probar el concepto con nuestra instalación de transmisión de 100 kW. Después, se plantearía un aumento de la escala. Con nuestra prueba del concepto, podríamos convencer a los socios industriales de que invirtieran en nuestra tecnología», concluye.
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