A medida que las comunidades, ciudades y estados desarrollan ambiciosos objetivos de descarbonización y eficiencia energética, el almacenamiento de energía es un componente cada vez más crítico de nuestra economía energética. Las fuentes de energía renovable como la solar y la eólica están cambiando la forma en que alimentamos nuestros edificios, industrias y red; sin embargo, son intermitentes: necesitamos energía continua incluso después de que se pone el sol o el viento amaina. Como tal, el almacenamiento de energía es fundamental para garantizar una energía continua y permite que los productores de energía aprovechen al máximo los momentos de sobregeneración en días soleados (o ventosos).
Cuando se trata de almacenamiento de energía de corta duración, las baterías de iones de litio se consideran las pioneras, pero las baterías no lo son todo. Nuestros edificios, negocios, industrias y la red necesitan más almacenamiento, a menor costo, para mayor duración y con capacidades mayores que las que las baterías pueden proporcionar para desplazar los combustibles fósiles para un futuro sostenible.
Para hacer frente a este desafío de almacenamiento de energía, los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) se encuentran en las últimas etapas de la prueba del prototipo de una nueva tecnología de almacenamiento de energía térmica que cambia el juego y que utiliza arena de sílice de bajo costo como medio de almacenamiento. El almacenamiento económico de electricidad de larga duración mediante el uso de almacenamiento de energía térmica de bajo costo y ciclo de energía de alta eficiencia (ENDURING) es una solución confiable, rentable y escalable que puede ubicarse en cualquier lugar.
Contenidos
- El mecanismo DURADERO: la arena calentada eléctricamente y almacenable proporciona electricidad a pedido
- Cómo la arena caliente en un silo está revolucionando la descarbonización energética
- Múltiples casos de uso económico potencial respaldan la descarbonización para 2050
- Logros tempranos y promesa duradera
El mecanismo DURADERO: la arena calentada eléctricamente y almacenable proporciona electricidad a pedido
ENDURING utiliza electricidad del excedente de energía solar o eólica para calentar un material de almacenamiento térmico: arena de sílice. Las partículas se alimentan a través de una serie de elementos calefactores resistivos eléctricos para calentarlas a 1200 ° C (imagínese vertiendo arena a través de una tostadora gigante). Las partículas calentadas se alimentan por gravedad a silos de hormigón aislados para el almacenamiento de energía térmica. El sistema básico está diseñado para un almacenamiento económico de hasta 26.000 MWh de energía térmica. Con un diseño modular, la capacidad de almacenamiento se puede ampliar o reducir con relativa facilidad.
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica de partículas se pueden construir con la infraestructura existente de centrales eléctricas de carbón y gas retiradas. Imagen de Al Hicks y Besiki Kazaishvili, NREL
Cuando se necesita energía, las partículas calientes se alimentan por gravedad a través de un intercambiador de calor, calentando y presurizando un gas de trabajo en el interior para impulsar la turbomáquina y los generadores de rotación que crean electricidad para la red. El sistema se descarga durante períodos de alta demanda de electricidad y cuando la energía solar fotovoltaica o eólica está disponible, como temprano en la mañana y en la noche, durante la preparación de la cena y cuando los televisores están encendidos. Una vez descargadas, las partículas frías gastadas se vuelven a introducir en silos aislados para su almacenamiento hasta que las condiciones (y la economía) vuelvan a ser apropiadas para la carga.
Cómo la arena caliente en un silo está revolucionando la descarbonización energética
ENDURING ofrece varias ventajas en relación con otras tecnologías de almacenamiento de electricidad.
Como medio de almacenamiento, la arena de sílice abundante es estable y económica a $ 30‒ $ 50 / tonelada, y tiene un impacto ecológico limitado tanto en la extracción como en el final de su vida útil. A modo de comparación, las baterías de iones de litio tienen una densidad de almacenamiento de energía excepcional, importante para ciertos sectores como el transporte, donde el peso importa, pero tiene un alto costo. El almacenamiento de energía térmica de partículas es una forma de almacenamiento menos densa en energía, pero es muy económica ($ 2‒ $ 4 por kWh de energía térmica a una diferencia de temperatura de carga a descarga de 900 ° C). El sistema de almacenamiento de energía es seguro porque se utiliza arena de sílice inerte como medio de almacenamiento, lo que lo convierte en un candidato ideal para el almacenamiento de energía masivo y de larga duración.
Los sistemas ENDURING no tienen restricciones de ubicación particulares y pueden ubicarse en cualquier parte del país. Estos sistemas también pueden construirse utilizando la infraestructura existente de centrales eléctricas de carbón y gas retiradas.
La tecnología DURADERA puede apoyar la expansión de la generación de energía renovable en todo nuestro país. La construcción de estos rentables sistemas de almacenamiento de energía térmica de partículas en los Estados Unidos podría ayudar a las empresas de servicios públicos a seguir utilizando la energía solar y eólica sin correr el riesgo de desestabilizar la red o tener que reducir la generación de energía renovable. El almacenamiento de energía térmica de partículas también proporcionará reservas de energía para que nuestras comunidades puedan navegar mejor a través de eventos climáticos prolongados, ya sea un frente frío de una semana o una ola de calor de verano.
Múltiples casos de uso económico potencial respaldan la descarbonización para 2050
La Administración Biden busca lograr un sector de energía libre de carbono para 2035 y una economía neta de emisiones cero para 2050. Zhiwen Ma, investigador principal del proyecto ENDURING, ve un papel importante para el almacenamiento de energía térmica de partículas en el logro de estos objetivos. “Si bien la descarbonización de la electricidad tiene un camino claro, la descarbonización de toda la economía, que incluye cosas como la calefacción de edificios y los procesos industriales, es más desafiante porque el gas natural es muy barato, lo que dificulta su desplazamiento”, dijo. “La descarbonización de los procesos industriales y el calor de los edificios es muy difícil”.
Convertir la electricidad renovable en calor es una forma de descarbonizar estos sectores. Ma ve una oportunidad para que el almacenamiento de energía térmica de partículas desempeñe un papel en la sustitución rentable del gas natural. Mediante el uso de una bomba de calor, una unidad de electricidad se transforma en dos o tres unidades de calor, que se pueden almacenar en el sistema de almacenamiento de energía térmica de partículas y luego entregarse al usuario final (dependiendo del coeficiente de rendimiento de la bomba de calor). o el uso de una tecnología emergente de almacenamiento de energía térmica por bombeo). Estas tecnologías se pueden utilizar para el calentamiento de procesos industriales y de edificios para reemplazar el carbón o el gas natural.
Además de proporcionar almacenamiento en la red y calefacción de edificios, ENDURING ofrece una fuente constante de calor para procesos industriales y químicos que de otro modo serían incompatibles con la intermitencia asociada con la energía solar y eólica.
Según el investigador de NREL Patrick Davenport, el entorno económico, los objetivos de descarbonización y la tecnología se han alineado para el almacenamiento de energía térmica de partículas. “Los silos de arena y hormigón con aislamiento refractario son materiales muy económicos que pueden conducir a un almacenamiento de energía de bajo costo”, dijo. “Las tecnologías tradicionales de almacenamiento de cuatro horas no se adaptan bien a la escala de la red o la ciudad. Ahora que necesitamos almacenamiento de energía a gran escala, esta tecnología tiene mucho sentido “.
Logros tempranos y promesa duradera
El proyecto ENDURING está experimentando un progreso prometedor y un interés temprano. El equipo ganó recientemente la División de Sistemas de Energía Avanzada de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos y la División de Energía Solar 2021 Premio al Mejor Papel y varios premios de financiamiento de tecnología del Departamento de Energía de EE. UU. Se han concedido patentes sobre la integración de la energía solar por concentración y se están presentando varias más.
Los prototipos de calentadores e intercambiadores de calor ENDURING se están probando actualmente en condiciones de alta temperatura. Si las tareas del prototipo tienen éxito este otoño, Ma confía en que la tecnología ENDURING ofrecerá un gran potencial para respaldar la integración renovable para el futuro suministro de energía libre de carbono.
Ma no es el único que ve una promesa: NREL y la firma de tecnología de energía limpia Babcock & Wilcox tienen un acuerdo exclusivo de opción de propiedad intelectual para licenciar la tecnología de almacenamiento de energía térmica de partículas ENDURING. Babcock & Wilcox se encuentran entre varios socios de investigación académicos y de la industria que contribuyeron al proyecto ENDURING, incluidos General Electric, Allied Mineral Products, Worley, Purdue University y Colorado School of Mines.
Aprender más acerca de Investigación de sistemas térmicos NREL y energía solar de concentración.
Artículo cortesía de NREL.
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