El equipo del MIT estima que su “batería” térmica diseñada para una larga duración – 100 horas o más – sería la mitad del costo del almacenamiento de energía a escala de red más barato de la actualidad; Hidro bombeado.
Descripción general de la batería de almacenamiento de energía térmica propuesta por el MIT, que muestra los tanques fríos y calientes para el silicio fundido, y los contenedores para las unidades de carga y descarga IMAGEN @ Caleb Amy
Una idea muy intrigante para el almacenamiento de energía térmica de red a escala de gigavatios de larga duración propone almacenar electricidad renovable de la red cargando una “batería” de silicio fundido, y luego usaría celdas fotovoltaicas de unión múltiple (MPV) para convertir sus 2400 ° C calor de nuevo a electricidad.
Debido a que el almacenamiento térmico, utilizado en energía solar concentrada (CSP) es de 10 a 100 veces más barato que almacenar electricidad químicamente en baterías, las baterías térmicas ahora están siendo propuestas por firmas de CSP establecidas como Abengoa , investigadores de NREL y nuevas empresas como TEXEL y Azelio , así como el Bill Gates-financiado Malta. Convertir electricidad de la red en calor en almacenamiento térmico es esencialmente 100% eficiente.
Lo que hace diferente a la innovación del MIT es cómo la energía térmica se convierte de nuevo en electricidad. Las turbinas tradicionales para convertir el calor en electricidad siguen siendo relativamente ineficientes. Pero a diferencia de los motores térmicos mecánicos como las turbinas, la fotovoltaica sigue siendo más barata.
Asegun Henry, que dirige el Grupo de Investigación de Simulación Atomística y Energía (ASE) en el MIT , y Caleb Amy, que trabajó en esta tecnología para su doctorado allí, propusieron el almacenamiento en red de energía térmica utilizando energía fotovoltaica de unión múltiple para resolver el problema del almacenamiento en red a largo plazo, como detallados en su artículo publicado en Energy & Environmental Science y en una presentación en la Conferencia SolarPACES 2020 .
Pero, ¿cómo podrían las células fotovoltaicas convertir el calor en electricidad? Toda la energía fotovoltaica requiere luz solar para producir electricidad, entonces, ¿cómo funcionaría alejada del sol, encerrada dentro de una caja de almacenamiento de energía térmica?
La energía fotovoltaica utiliza la luz: el calor produce luz
La respuesta es metal extremadamente caliente, explicó Amy en una llamada de Skype. El silicio fundido calentado a 2.400 ° C emite una luz muy brillante.
“A estas temperaturas más altas, se obtiene suficiente radiación que es lo suficientemente fuerte como para usar un motor térmico fotovoltaico”, dijo. [Mientras que un “motor” suena mecánico, un motor térmico fotovoltaico no tiene partes móviles como una turbina mecánica. Simplemente convierte la luz en electricidad.]
Henry explicó que para esta novedosa batería térmica, la energía fotovoltaica de unión múltiple (MPV) sería en realidad la opción más disponible para el paso de descarga.
“Con la energía fotovoltaica de unión múltiple, en realidad tenemos una barrera mucho más baja para la implementación”, dijo. “Hay empresas que ya fabrican células similares a esta, o pueden adaptar sus equipos de fabricación para hacer este tipo de células. Y el costo en realidad puede ser considerablemente más bajo que el de una turbina, por lo que podemos bajar a aproximadamente $ 0.10 por vatio en lugar de $ 1 por vatio “.
“Entonces, la temperatura fue realmente el resultado de elegir los materiales más baratos para almacenar energía, y luego la fotovoltaica fue porque creemos que será el motor térmico más barato para la conversión más barata de vuelta a electricidad”, agregó Amy.
“Las células son bastante caras por metro cuadrado en comparación con los paneles solares. Pero el flujo de calor que los golpea es mucho mayor que el flujo de calor del sol porque están mucho más cerca de la fuente de calor. Entonces, en base a un dólar por vatio, son mucho más baratos “.
No existe una turbina para estas temperaturas
“De lo contrario, tendría que haber sido una turbina de combustión externa, y tener un intercambiador de calor y otros componentes que aún no existen”, señaló Henry.
Las temperaturas son mucho más altas que en el almacenamiento de energía térmica actual: el almacenamiento de sales fundidas comercialmente comprobado en las plantas de CSP almacena energía para su uso a hasta 565 ° C, y en la etapa piloto hasta a 1.500 ° C en partículas para los ciclos de Brayton. Las nuevas empresas de energía solar térmica de muy alta temperatura como Synhelion (que utiliza 1500 ° C para producir combustibles solares), HelioHeat y Heliogen, que utilizan hasta 1000 ° C para la producción de hidrógeno o calor industrial, no necesitan una turbina porque todas producen calor, no electricidad. . Pero no existe ninguna turbina mecánica para una aleación de silicio fundido calentada hasta casi 2.400 ° C.
“Dado que nadie lo ha logrado, existe una barrera muy grande para desplegar una nueva turbina de esta naturaleza”, dijo Henry. “Estás hablando de un esfuerzo de investigación y desarrollo de más de cien millones de dólares. Tienes que conseguir la aceptación de GE o Siemens básicamente para hacer esto por ti. En un laboratorio académico, no somos capaces de desarrollar una nueva turbina comercial “.
Esto también crea desafíos para contener y bombear el metal, dijo: “La mayoría de los metales disolverán otros metales. No querrías intentar hacer una pipa para agua azucarada con azúcar “. Para resolver el problema de que los metales calientes simplemente disolverían los contenedores de metal, el equipo del MIT propone hacer todas las tuberías, todas las contención, a partir de carbono.
Para bombear el silicio fundido, una bomba mecánica centrada dentro de cada una de las dos gigantescas cubas de unos 40 m de altura mueve el líquido por todo el sistema. IMAGEN @ Caleb Amy
Bombear silicio fundido caliente es la clave para el almacenamiento térmico a escala de gigavatios
“Este es el paso tecnológico que dimos antes de esto”, dijo Henry. A esta escala, necesitaría poder bombear un volumen muy grande de silicio muy caliente a través de la enorme red de tuberías de grafito de carbono. El bombeo fue el gran avance que permitió la tecnología. El equipo tiene un récord del Libro Guinness por bombear silicio a 1.400 ° C, y recientemente lo superó al bombear silicio fundido a unos 2.000 ° C.
En su artículo de 2017 publicado en Nature: Bombeando metal líquido a altas temperaturas de hasta 1.673 kelvin , mostraron partes móviles reales que brillaban al rojo vivo y no se rompían. El equipo probó el bombeo de estaño líquido a 1.400 ° C utilizando una bomba mecánica, lo que demuestra que los materiales pueden funcionar en estas condiciones. Los sellos para unir dos tubos de grafito para que el metal líquido no gotee son cruciales.
“La forma en que lo hacemos es que en realidad podemos fabricar bombas y válvulas y redes de tuberías totalmente de cerámica o de grafito”, dijo Henry. “La innovación clave aquí está en los sellos. En realidad, el grafito no es un material muy caro para trabajar. Es fácil de mecanizar. Lo hacemos en mi laboratorio todo el tiempo. El costo no es mucho más caro que el acero y se puede hacer que sea un sistema de grafito completo muy fácilmente “.
Los componentes que muestran los detalles del bloque de potencia MPV IMAGEN @ Caleb Amy
Desde el tanque de retorno, después de que se extrae su calor, el silicio se bombea a través de una gran caja central de elementos calefactores eléctricos para traer electricidad de la red para calentar el líquido, que luego se bombea al tanque caliente, listo para ser bombeado a través del Caja de tuberías donde las células solares descargan la electricidad a la red, y devuelven el silicio al tanque más frío para comenzar de nuevo.
Una de las múltiples unidades MPV IMAGE @ Caleb Amy
En cada unidad de MPV, una “torre” central de cuatro lados de MPV está rodeada por un cuadrado de paredes al rojo vivo que irradian luz, porque el silicio fundido a 2.400 ° C se bombea continuamente a través de las tuberías que calientan las paredes de tungsteno que dan a la torre central. . Cada unidad de MPV puede producir medio MW de electricidad, y estos se duplicarían varias veces dentro de un contenedor grande de unos 10 metros de altura, para un almacenamiento masivo a escala de red.
Parte de la radiación no se puede convertir de manera eficiente, por lo que las longitudes de onda de la luz infrarroja que están por debajo de la banda prohibida, pasan a través de la celda de múltiples uniones y se reflejan en el espejo detrás de ella, después de lo cual rebotan en las paredes del patio, rechazando calor. Además también están refrigerados por agua.
Cómo el MPV permite la descarga del almacenamiento térmico tan rápido como una batería
Este motor de calor solar permitiría una respuesta instantánea a las necesidades de la red, ya que cada unidad dentro del almacenamiento térmico podría encenderse o apagarse instantáneamente.
“Estas células MPV podrían activarse dentro y fuera de la luz”, dijo Henry. “Pueden montarse en actuadores para que pueda sumergirlos en la fuente de luz para encender el sistema y obtener salida, o retraerlos para reducir muy rápidamente la salida. Esta es la razón por la que esto es muy atractivo: para el almacenamiento a escala de red, esto le permite tener una rampa de escala de gigavatios del orden de segundos, que actualmente no existe “.
Como resultado, este concepto de MIT tendría una ventaja de respuesta rápida sobre las turbinas de pico de hoy que tardan 20 minutos o más en pasar de cero a carga completa. Henry agregó que la reducción del costo de la batería tiene límites inherentes porque los productos químicos requieren una alta pureza para reaccionar, mientras que el almacenamiento de energía térmica no. “Esto se debe a que cuando almacena energía térmicamente, a nivel atómico, en realidad la está almacenando como energía cinética”, explicó. “Cuando calientas algo, los átomos se mueven más rápido. Y la energía cinética es muy tolerante con las impurezas. Por lo tanto, puede utilizar materiales mucho más baratos para el almacenamiento de energía térmica “.
Sospecha que es poco probable que las baterías lleguen a estar por debajo de los 50 dólares por kWh por esta razón. Pero para llegar al 100% de las energías renovables, los costos de almacenamiento de energía deben bajar a menos de $ 10 por kWh.
“La razón por la que estamos diseñando esto es que no existe una forma barata de almacenamiento de energía por períodos prolongados”, señaló Amy. “La mayoría de los aspectos económicos que hemos analizado duran como diez horas, ¿verdad? Esperamos hasta cien horas. Creemos que se ve bastante bien en ese régimen. Definitivamente tiene un costo de motor térmico más económico porque todos los demás usan una turbina mecánica ”.
“Es por eso que esto es muy atractivo: para el almacenamiento a escala de red, esto le permite tener una rampa de escala de gigavatios en el orden de segundos, que actualmente no existe” IMAGE @ Caleb Amy
