En esta configuración hipotética se representa una aplicación propuesta del sistema de almacenamiento térmico basado en tijera de ladrillo, donde se acopla a una central nuclear para proporcionar potencia fácilmente despachable.La tecnología antigua podría utilizarse para nivelar los precios de la electricidad para las energías renovables.
Los firebricks, diseñados para soportar altas temperaturas, han sido parte de nuestro arsenal tecnológico durante al menos tres milenios, desde la era de los hititas. Ahora, una propuesta de investigadores del MIT muestra que esta antigua invención podría desempeñar un papel clave para permitir que el mundo cambie de combustibles fósiles y confíe en fuentes de energía libres de carbono.
La idea de los investigadores es hacer uso del exceso de electricidad producido cuando la demanda es baja -por ejemplo, de parques eólicos cuando soplan fuertes vientos durante la noche- usando calentadores de resistencia eléctrica, que convierten la electricidad en calor. Estos dispositivos utilizarían el exceso de electricidad para calentar una gran masa de ladrillos de refrige- ración, que pueden retener el calor durante largos períodos si están encerrados en una carcasa aislada. En un momento posterior, el calor se podría utilizar directamente para los procesos industriales, o podría alimentar los generadores que lo convierten de nuevo a la electricidad cuando la energía es necesaria.
La tecnología en sí es vieja, pero su utilidad potencial es un fenómeno nuevo, provocado por el rápido aumento de fuentes de energía renovables intermitentes y las peculiaridades de la forma en que se fijan los precios de la electricidad. Tecnológicamente, el sistema “podría haber sido desarrollado en la década de 1920, pero no había mercado para él entonces”, dice Charles Forsberg, un científico investigador en el Departamento de MIT de Ciencia Nuclear e Ingeniería y autor principal de un documento de investigación que describe el plan, que aparece esta semana en el Electricity Journal .
Forsberg señala que la demanda de calor industrial en los EE.UU. y la mayoría de las regiones industrializadas es realmente mayor que la demanda total de electricidad. Y a diferencia de la demanda de electricidad, que varía mucho ya menudo impredeciblemente, la demanda de calor industrial es constante y puede hacer uso de una fuente de calor extra siempre que esté disponible, proporcionando un mercado casi ilimitado para el calor proporcionado por este sistema basado en firebrick.
El sistema, que Forsberg llama FIRES (para el almacenamiento de energía calentada por resistencia de FIrebrick), elevaría en efecto el precio mínimo de la electricidad en el mercado de servicios públicos, que actualmente puede caer a casi cero en momentos de alta producción, como el medio de un día soleado cuando las salidas de la planta solar están en su apogeo.
Los precios de la electricidad se determinan con un día de antelación, con un precio por separado para cada segmento de una hora del día. Esto se hace a través de un sistema de subasta entre los productores y los distribuidores de energía. Los distribuidores determinan la cantidad de energía que esperan necesitar durante cada hora, y los proveedores hacen una oferta basándose en sus costos esperados para producir ese poder. Dependiendo de las necesidades en un momento dado, estos precios pueden ser bajos, si sólo se necesitan plantas de gas natural de base, por ejemplo, o pueden ser mucho más altos si la demanda requiere el uso de plantas de “pico” mucho más caras. Al final de cada subasta, los distribuidores calculan cuántas de las ofertas serán necesarias para satisfacer la demanda proyectada, y el precio que se pagará a todos los proveedores será determinado por la oferta con precio más alto de todas las aceptadas esa hora.
Pero ese sistema puede conducir a resultados extraños cuando el poder que es muy barato de producir -el solar, el viento y la energía nuclear, cuyos costos operativos reales son muy pequeños- puede suministrar lo suficiente para satisfacer la demanda. Entonces, el precio que los proveedores obtienen por la energía puede ser cercano a cero, haciendo que las plantas sean antieconómicas.
Pero al desviar gran parte de ese exceso de producción al almacenamiento térmico calentando una gran masa de ladrillos de fuegos, vendiendo ese calor directamente o utilizando para impulsar turbinas y producir energía más tarde cuando es necesario, FIRES podría establecer un límite inferior al precio de mercado para electricidad, lo que probablemente sería sobre el precio del gas natural. Esto, a su vez, podría ayudar a que las fuentes de energía libres de carbono, como la solar, eólica y nuclear, sean más rentables y, por lo tanto, fomenten su expansión.
El colapso de los precios de la electricidad debido a la expansión de la energía no fósil ya está ocurriendo y seguirá aumentando a medida que aumenten las instalaciones de energía renovable. “En los mercados de electricidad como Iowa, California y Alemania, el precio de la electricidad cae a casi cero en momentos de alta potencia eólica o solar”, dice Forsberg. Una vez que la capacidad de generación suministrada por la energía solar alcance aproximadamente el 15 por ciento de la mezcla generadora total, o cuando la energía eólica alcance el 30 por ciento del total, la construcción de tales instalaciones puede volverse no rentable a menos que haya una capacidad de almacenamiento suficiente para absorber el exceso para más tarde utilizar.
En la actualidad, las opciones para almacenar el exceso de electricidad se limitan esencialmente a las baterías oa los sistemas hidroeléctricos bombeados. Por el contrario, el sistema de almacenamiento térmico de briqueta de tecnología de baja tecnología costaría entre una décima y una cuadragésima, como cualquiera de esas opciones, dice Forsberg.
Firebrick en sí es sólo una variante de los ladrillos ordinarios, hechos de arcillas que son capaces de soportar temperaturas mucho más altas, que van hasta 1.600 grados Celsius o más. Prácticamente suciedad barata de producir – la arcilla es, después de todo, sólo un tipo particular de suciedad – tales ladrillos de alta temperatura se han encontrado en los sitios arqueológicos que datan de alrededor de hace 3.500 años, como en los hornos de fundición de hierro construido por los hititas en lo que ahora es Turquía. El hecho de que estos ladrillos hayan sobrevivido hasta ahora atestigua su durabilidad.
Hoy en día, mediante la variación de la composición química de la arcilla, ladrillo de fuego se puede hacer con una variedad de propiedades. Por ejemplo, los ladrillos que se colocarán en el centro del ensamblaje podrían tener una conductividad térmica alta, de manera que puedan absorber fácilmente el calor de los calentadores de resistencia. Estos ladrillos podrían fácilmente dejar que el calor al aire frío que sopló a través de la masa para llevar el calor para uso industrial. Pero los ladrillos utilizados para las partes exteriores de la estructura podrían tener una conductividad térmica muy baja, creando así una cubierta aislante para ayudar a retener el calor de la pila central.
El límite actual de FIRES es el calentador de resistencia. Forsberg sugiere que los propios ladrillos podrían hacerse eléctricamente conductores, de modo que podrían actuar como calentadores resistentes de bajo costo por sí solos, produciendo y almacenando el calor. Un material prometedor para estos ladrillos es el carburo de silicio, que ya se produce a grandes escalas para usos tales como papel de lija. China produce actualmente alrededor de un millón de toneladas al año, dice Forsberg.
Convertir ese calor en electricidad es un desafío técnico más grande, por lo que probablemente sería una versión de próxima generación del sistema FIRES, dice. Eso es porque la producción de electricidad con las turbinas convencionales utilizadas para las centrales eléctricas de gas natural requiere una temperatura mucho más alta. Mientras que el calor del proceso industrial es viable a alrededor de 800 C, dice, las turbinas necesitan aire comprimido calentado a por lo menos 1,600 C. Los calentadores de resistencia ordinarios no pueden ir tan alto, y tales sistemas también necesitarán un recipiente de contención de presión para manejar las necesidades presión del aire. Pero la ventaja sería grande: duplicar la temperatura de operación reduciría en la mitad el costo del calor producido, dice Forsberg.
El siguiente paso, según Forsberg, será establecer algunas unidades prototipo a gran escala para probar los principios en condiciones reales, algo que espera que ocurra en 2020. “Estamos encontrando los clientes adecuados para esas unidades iniciales”, agregó Forsberg. dice, lo que probablemente sería una empresa como una refinería de etanol, que utiliza una gran cantidad de calor, situado cerca de una instalación de turbina eólica considerable.
“Creo que FIRES es un enfoque innovador para resolver un problema real de la red de energía”, dice Regis Matzie, el actual Jefe Técnico Jefe de Westinghouse Electric, que no participó en este trabajo. La forma en que se determinan los precios de la electricidad en este país produce un “mercado de electricidad sesgado [que] produce precios de mercado bajos o incluso negativos cuando una parte significativa de la energía eléctrica en la red es proporcionada por energías renovables”. “Una manera muy positiva de corregir esta tendencia sería desplegar una manera económica de almacenar la energía generada durante los precios bajos del mercado de electricidad, por ejemplo, cuando las energías renovables están generando una gran cantidad de electricidad y luego liberar esta energía almacenada cuando los precios del mercado son altos … FIRES provee una manera potencialmente económica de hacer esto,
El equipo de investigación incluyó a los estudiantes graduados del MIT Daniel Stack, Daniel Curtis, Geoffrey Haratyk y el recién graduado Nestor Sepulveda MS ’14.
Fuente: MIT