¿Qué es el almacenamiento de energía térmica? Una guía para el futuro de la energía limpia

La transición mundial hacia una economía de energía limpia, alimentada por fuentes renovables como la solar y la eólica, está muy avanzada. Sin embargo, estos potentes recursos presentan un reto operativo fundamental: la intermitencia. El sol no siempre brilla y el viento no siempre sopla, lo que crea un desajuste temporal entre el momento en que se produce la energía y el momento en que se consume. Esta variabilidad puede sobrecargar las redes eléctricas y dificultar la integración a gran escala de las energías renovables.

Es en estos escenarios donde el almacenamiento térmico de energía (TES) emerge como una tecnología fundamental. Proporciona la flexibilidad crítica necesaria para construir un sistema energético resistente, fiable y descarbonizado. El valor fundamental del TES reside en su capacidad para desacoplar el momento de generación de energía del momento de uso. Una forma útil de conceptualizar esto es como una "batería de calor" a gran escala. Mientras que una batería convencional almacena la energía en forma química, una batería térmica la almacena en forma de calor o frío. Capta energía renovable abundante y asequible cuando está disponible y la distribuye horas, días o incluso temporadas más tarde, cuando es más necesaria y valiosa.

Para los propietarios de tierras, los inversores y los responsables políticos, es esencial comprender claramente el almacenamiento de energía térmica para desbloquear nuevas fuentes de ingresos, realizar inversiones financieras sólidas y elaborar una política energética eficaz.

En esencia, el almacenamiento de energía térmica es una tecnología diseñada para almacenar energía térmica calentando o enfriando un medio de almacenamiento, de modo que la energía almacenada pueda utilizarse posteriormente. Este proceso es extraordinariamente eficiente y puede descomponerse en un ciclo fundamental de tres fases.

En primer lugar, durante la fase de carga, se utiliza una fuente de energía para modificar la temperatura del medio de almacenamiento. Esta energía puede proceder de varias fuentes, pero un método común es utilizar electricidad de bajo coste o excedente de la red, a menudo de fuentes renovables, para alimentar un calentador resistivo que caliente el medio. Otra posibilidad es que el sistema capte energía solar concentrada o recupere calor residual industrial que de otro modo se perdería. Una vez cargada, la energía térmica se contiene en un sistema altamente aislado durante la fase de almacenamiento para minimizar la pérdida de calor con el paso del tiempo. La duración del almacenamiento es un parámetro clave del diseño y puede oscilar entre varias horas y muchos meses. Por último, cuando se necesita la energía, se extrae del medio de almacenamiento en la fase de descarga. Esto puede implicar hacer pasar el medio caliente por un intercambiador de calor para producir vapor destinado a la generación de electricidad, suministrar calor a alta temperatura directamente a un horno industrial o hacer circular agua caliente o refrigerada para la climatización de edificios.

Este sencillo ciclo permite a las TES funcionar como una herramienta versátil de gestión energética, salvando las distancias entre la oferta y la demanda de energía.

El almacenamiento de energía térmica no es una tecnología única, sino una cartera diversa, en la que cada enfoque ofrece características y perfiles de rendimiento únicos. Estas tecnologías se clasifican a grandes rasgos en tres categorías principales basadas en el mecanismo físico o químico utilizado para almacenar energía. Para los inversores y promotores, es primordial comprender las distintas compensaciones entre ellas.

El almacenamiento de calor sensible es la forma más madura y comercialmente sencilla de STE. El principio es sencillo: la energía se almacena aumentando la temperatura de un medio de almacenamiento y se descarga extrayendo ese calor cuando el medio se enfría. La elección del medio es una decisión de diseño fundamental. El agua no tiene parangón en las aplicaciones de baja temperatura por su bajo coste y su gran capacidad calorífica, lo que la hace dominante en los sistemas de calefacción urbana. Para aplicaciones de alta temperatura, sobre todo en centrales de energía solar por concentración (CSP), las sales fundidas son el estándar del sector, capaces de funcionar hasta 600 °C para permitir una producción eficiente de electricidad. El principal problema de las sales fundidas es su elevado punto de congelación, que requiere sistemas de calentamiento auxiliares para evitar obstrucciones. Una tercera opción son los medios sólidos, como rocas, arena y ladrillos cerámicos. Estos materiales son resistentes, baratos y pueden soportar temperaturas extremadamente altas (más de 1.000 °C), lo que los hace excepcionalmente adecuados para suministrar calor limpio y de alta calidad a la industria pesada.

Los sistemas de almacenamiento de calor latente representan un enfoque más avanzado que utiliza materiales de cambio de fase (PCM). Estas sustancias almacenan y liberan grandes cantidades de energía al pasar del estado sólido al líquido. La ventaja técnica de este proceso es que la transferencia de energía se produce a una temperatura casi constante, lo que permite un control térmico más preciso en diversas aplicaciones. En la actualidad, la adopción generalizada de la tecnología LHS se ve menos limitada por el concepto que por los importantes retos que plantea la ciencia de los materiales. La investigación y el desarrollo se centran sobre todo en mejorar la estabilidad a largo plazo de los PCM, ya que algunos tienden a degradarse con ciclos repetidos de congelación y descongelación, y en mejorar su conductividad térmica para permitir una carga y descarga más rápidas. La propiedad intelectual y el crecimiento futuro del mercado de LHS residen en la creación de PCM avanzados que superen estas limitaciones

El almacenamiento termoquímico representa la categoría de almacenamiento térmico más avanzada y, en muchos sentidos, la más transformadora. A diferencia del SHS y el LHS, que almacenan la energía en forma de calor sensible o latente, el TCS almacena la energía en el potencial de enlaces químicos reversibles. En este proceso, el calor a alta temperatura impulsa una reacción endotérmica, rompiendo un compuesto químico en dos o más productos separados. Estos productos pueden almacenarse indefinidamente a temperatura ambiente con una pérdida de energía prácticamente nula. Cuando se necesita energía, los productos se recombinan en una reacción exotérmica, liberando la energía química almacenada en forma de calor a alta temperatura. Esta capacidad de almacenamiento verdaderamente duradero y sin pérdidas convierte al TCS en un candidato ideal para aplicaciones estacionales, como la captación de abundante energía solar en verano y su liberación para producir calor en invierno. Aunque es la menos madura de las tres tecnologías, la TCS promete desbloquear un nuevo nivel de flexibilidad de la red.

El almacenamiento de energía térmica es una plataforma versátil con una amplia gama de aplicaciones que crean un valor diferenciado para las distintas partes interesadas. Desde la estabilización de las redes eléctricas nacionales hasta la descarbonización de la industria pesada, el almacenamiento de energía térmica es una herramienta fundamental para la transición energética.

En la energía solar de concentración, la integración de TES en tanques de sales fundidas transforma un recurso solar intermitente en una central eléctrica renovable de carga base capaz de suministrar energía fiable 24 horas al día, 7 días a la semana. Para la red eléctrica en general, el TES actúa como una poderosa fuerza estabilizadora al absorber la producción renovable fluctuante y liberarla como un bloque de energía suave y predecible. Esto aumenta la fiabilidad y resistencia de la red.

En el sector industrial, que es uno de los más difíciles de descarbonizar, el TES ofrece una vía directa y económicamente convincente para electrificar el calor industrial. Al utilizar electricidad renovable de bajo coste para calentar un medio de almacenamiento como los ladrillos cerámicos, los sistemas TES pueden suministrar calor limpio, fiable y a alta temperatura bajo demanda, sustituyendo directamente a las calderas y hornos alimentados con combustibles fósiles y protegiéndose al mismo tiempo de la volatilidad de los precios del combustible.

Por último, en el sector de la construcción, la energía solar térmica ofrece un potente conjunto de soluciones. A gran escala, los sistemas centralizados de TES pueden ser el núcleo de las redes urbanas de calefacción y refrigeración. En los edificios comerciales, los sistemas de almacenamiento en frío pueden reducir drásticamente el consumo de electricidad en las horas punta. Esto no sólo reduce las facturas de los servicios públicos, sino que también mejora la capacidad de recuperación de nuestras comunidades.

Para los inversores, la decisión de financiar un proyecto de almacenamiento de energía térmica depende de una lógica económica clara. La rentabilidad de un activo de almacenamiento de energía térmica suele depender menos de la tecnología en sí y más de la estructura del mercado y las oportunidades de servicio de red en las que opera.

El concepto más crucial para maximizar el rendimiento financiero de un proyecto de TES es el apilamiento de ingresos. Depender de un único flujo de valor limita considerablemente el potencial de ingresos de un proyecto. Los proyectos de SCE de más éxito están diseñados para captar simultáneamente múltiples flujos de ingresos. Esto incluye la obtención de ingresos por arbitraje de tiempo de uso de la energía mediante la carga con energía de bajo coste y la descarga cuando los precios son altos. Para los clientes industriales, significa generar ahorros mediante la reducción de la carga de la demanda. En los mercados organizados de electricidad, implica licitar para prestar valiosos servicios auxiliares, como la regulación de la frecuencia. Un sofisticado sistema de gestión de la energía que pueda optimizar el funcionamiento de los activos en tiempo real es clave para liberar todo este valor.

La política gubernamental de apoyo desempeña un papel decisivo en la aceleración del despliegue. En Estados Unidos, la Ley de Reducción de la Inflación (IRA) ha sido especialmente impactante. Modificó la desgravación fiscal a la inversión (ITC, por sus siglas en inglés) para hacerla disponible por primera vez para proyectos independientes de almacenamiento de energía. Esto proporciona una enorme flexibilidad en la ubicación y el diseño de los proyectos. El crédito básico del 30%, con posibles bonificaciones adicionales, reduce significativamente los costes de capital iniciales y mejora la economía del proyecto. Este apoyo federal, combinado con los objetivos de contratación y los programas de incentivos a nivel estatal, está creando fuertes vientos de cola para el sector.

Aunque muchas de estas tecnologías ya han alcanzado la madurez y están disponibles en el mercado, el camino hacia su implantación generalizada pasa por la innovación continua. El futuro depende de las mejoras graduales de los sistemas existentes y de la investigación de vanguardia en tecnologías de nueva generación. El panorama de la investigación es vibrante, con esfuerzos centrados en el desarrollo de sales fundidas de nueva generación que puedan funcionar a temperaturas más altas para una mayor eficiencia, la creación de materiales de cambio de fase nanomejorados con estabilidad y transferencia de calor superiores, y el diseño de reactores termoquímicos avanzados para liberar el potencial del almacenamiento de larga duración.

Este progreso tecnológico se está traduciendo en unas sólidas perspectivas de mercado. Se prevé que el mercado mundial de almacenamiento de energía térmica crezca sustancialmente, con una tasa de crecimiento anual compuesto superior al 10% hasta el final de la década. Este crecimiento está impulsado por el creciente despliegue de energías renovables, el impulso a la descarbonización del calor industrial y las políticas gubernamentales de apoyo.

En conclusión, la transición a una economía de energía limpia exige una reestructuración fundamental de nuestros sistemas energéticos para que sean más flexibles y fiables. El almacenamiento de energía térmica no es una mera opción en esta transición; es una tecnología indispensable y versátil preparada para desempeñar un papel central y creciente en la construcción del futuro energético limpio, fiable y próspero que todos imaginamos.