Las fuentes de energía renovables han adquirido un rol central en el modelo energético de los países comprometidos con la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, el carácter intermitente de algunas de estas fuentes energéticas, como la solar o la eólica, pone encima de la mesa un desafío que es necesario superar.
Este reto está provocado por la necesidad de contar con sistemas de almacenamiento capaces de acumular el excedente energético que se produce en los momentos de máxima generación para utilizarlo cuando la producción de energía decae. Convivan o no con otras fuentes de energía de respaldo, como la nuclear, las renovables necesitan aliarse con tecnologías de almacenamiento económicas y competitivas.
Afortunadamente, hay varias soluciones que pueden ir de la mano de las energías renovables para actuar como ese complemento capaz de almacenar el excedente energético siempre que sea necesario. La fabricación de hidrógeno, el bombeo hidroeléctrico o el almacenamiento de energía mediante aire comprimido son algunas de estas tecnologías, pero no podemos pasar por alto una de la opciones más evidentes: las baterías.
No cabe duda de que encajan en este escenario de uso (las baterías Megapack de Tesla lo demuestran), pero es necesario que incrementen su competitividad para afianzarse como la opción preferente en la puesta a punto de grandes infraestructuras de almacenamiento de energía.
Este es el contexto en el que un equipo de investigadores del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid ha diseñado una nueva tecnología de baterías que, sobre el papel, es más económica y eficiente que las soluciones de iones de litio que se utilizan de forma masiva actualmente. Y lo es porque el elemento químico al que recurren para contener grandes cantidades de energía es abundante y relativamente económico.
El silicio es el gran aliado de las baterías termofotovoltaicas (y no el litio)
La estrategia de almacenamiento de la energía más económica que conocemos requiere acumularla en forma de calor. En el artículo que han publicado en la revista científica Joule los investigadores del Instituto de Energía Solar proponen utilizar la energía excedente producida por las instalaciones eólicas y solares en los momentos de máxima generación para fundir algunos metales que son capaces de retener el calor durante mucho tiempo. Según ellos los candidatos idóneos por su bajo precio y óptimas propiedades fisicoquímicas son el silicio y las aleaciones de silicio.
Los autores de este estudio aseguran que un litro de silicio fundido es capaz de almacenar más de 1 kWh de energía
Estos metales se pueden fundir al someterlos a una temperatura de más de 1000 ºC, de manera que la energía que es necesario invertir en este proceso permanece confinada en el propio material bajo la forma de calor latente. Según estos investigadores un litro de silicio fundido es capaz de almacenar más de 1 kWh, y, además, esa energía térmica se mantiene durante un periodo de tiempo que puede oscilar entre 10 horas y varios días asumiendo un índice de disipación muy moderado.
A partir de aquí la energía almacenada en forma de calor latente en elementos de silicio fundido puede ser recuperada de dos maneras: bajo la forma de calor o como electricidad. Los autores de este estudio aseguran que el 50% de la demanda energética de la población mundial se contabiliza como calor, y recuperarlo a partir del silicio fundido no requiere llevar a cabo ningún tipo de transformación, por lo que no se producen las pérdidas que se dan cuando se transforma un tipo de energía en otro.
Fuente: Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid
También es posible recuperar la energía almacenada bajo la forma de calor latente como electricidad, aunque en este escenario, como es lógico, es necesario afrontar la transformación de la energía térmica en energía eléctrica. Estos investigadores proponen abordarla aprovechando una propiedad del silicio muy interesante: su capacidad de emitir una gran cantidad de luz al ser sometido a una temperatura muy alta.
Según los técnicos del Instituto de Energía Solar la eficiencia de las células termofotovoltaicas que proponen oscila entre el 30 y el 40%
Para llevar a cabo esta transformación es necesario utilizar células fotovoltaicas como las empleadas en los paneles solares con los que todos estamos familiarizados. No obstante, los generadores termofotovoltaicos que describen estos científicos en su estudio son más eficientes que los paneles solares convencionales. Mucho más eficientes.
Y es que, según estos investigadores, son capaces de producir hasta 100 veces más energía eléctrica por unidad de superficie. Esto significa, sencillamente, que un metro cuadrado de panel termofotovoltaico es capaz de producir 100 veces más electricidad que un panel fotovoltaico convencional del mismo tamaño. Sobre el papel no está nada mal.
El doctor en Física y catedrático de Electrónica en la Universidad Complutense de Madrid Ignacio Mártil nos explicó en la conversación que mantuvimos con él a principios de 2021 que los paneles solares fotovoltaicos más sofisticados disponibles actualmente tienen una eficiencia aproximada del 24%. Y, según los técnicos del Instituto de Energía Solar, la eficiencia de las células termofotovoltaicas que proponen oscila entre el 30 y el 40%.
Además, en la ilustración que publicamos encima de estas líneas podemos ver que el almacenamiento de energía en forma de calor latente en elementos de silicio o aleaciones de silicio tiene un coste inferior a los 4 euros por kWh, una cifra mucho más baja que la vinculada a las baterías de iones de litio que utilizamos actualmente.
Este coste se incrementará al introducir el precio del contenedor y el material de aislamiento térmico necesario para minimizar la disipación de energía térmica, pero, aun así, no cabe duda de que esta tecnología es muy prometedora.
Por el momento estos investigadores han puesto a punto un prototipo de batería termofotovoltaica con una capacidad inferior a 1 kWh, por lo que queda mucho por hacer para escalar esta tecnología de manera que sean viables capacidades de almacenamiento muy superiores, y también para conseguir que sea rentable. En cualquier caso, merece la pena seguirle la pista muy de cerca.
Imágenes | ThisIsEngineering | Pixabay | Instituto de Energía Solar (UPM)
Más información | Joule
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