Los ingenieros del MIT han ideado un diseño conceptual para un sistema para almacenar energía renovable, como la energía solar y eólica, y devolver esa energía a una red eléctrica bajo demanda. El sistema puede estar diseñado para alimentar una ciudad pequeña no solo cuando sale el sol o el viento es fuerte, pero las veinticuatro horas del día.

El nuevo diseño almacena el calor generado por el exceso de electricidad de la energía solar o eólica en grandes tanques de silicio fundido al rojo vivo. y luego convierte la luz del metal brillante nuevamente en electricidad cuando es necesario. Los investigadores estiman que tal sistema sería mucho más asequible que las baterías de iones de litio, que se han propuesto como viables, aunque caro, método para almacenar energía renovable. También estiman que el sistema costaría aproximadamente la mitad que el almacenamiento hidroeléctrico bombeado, la forma más barata de almacenamiento de energía a escala de red hasta la fecha.

"Incluso si quisiéramos hacer funcionar la red con energías renovables en este momento, no podríamos, porque necesitaría turbinas de combustibles fósiles para compensar el hecho de que el suministro renovable no se puede despachar a pedido, "dice Asegun Henry, el Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera Robert N. Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica. "Estamos desarrollando una nueva tecnología que, si tiene éxito, resolvería este problema más importante y crítico en energía y cambio climático, a saber, el problema de almacenamiento ".

Henry y sus colegas han publicado hoy su diseño en la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente .

Grabar temperaturas

El nuevo sistema de almacenamiento surge de un proyecto en el que los investigadores buscaron formas de aumentar la eficiencia de una forma de energía renovable conocida como energía solar concentrada. A diferencia de las plantas solares convencionales que utilizan paneles solares para convertir la luz directamente en electricidad, La energía solar concentrada requiere vastos campos de enormes espejos que concentran la luz solar en una torre central, donde la luz se convierte en calor que eventualmente se convierte en electricidad.

"La razón por la que la tecnología es interesante es:una vez que hagas este proceso de enfocar la luz para obtener calor, Puede almacenar calor a un precio mucho más económico de lo que puede almacenar electricidad. "Henry anota.

Las plantas solares concentradas almacenan el calor solar en grandes tanques llenos de sal fundida, que se calienta a altas temperaturas de aproximadamente 1, 000 grados Fahrenheit. Cuando se necesita electricidad, la sal caliente se bombea a través de un intercambiador de calor, que convierte el calor de la sal en vapor. Luego, una turbina convierte ese vapor en electricidad.

"Esta tecnología existe desde hace un tiempo, pero se ha pensado que su costo nunca será lo suficientemente bajo como para competir con el gas natural, "Dice Henry." Así que hubo un impulso para operar a temperaturas mucho más altas, por lo que podría utilizar un motor térmico más eficiente y reducir el costo ".

Sin embargo, si los operadores calentaran la sal mucho más allá de las temperaturas actuales, la sal corroería los tanques de acero inoxidable en los que se almacena. Así que el equipo de Henry buscó un medio distinto a la sal que pudiera almacenar calor a temperaturas mucho más altas. Inicialmente propusieron un metal líquido y finalmente se decidieron por el silicio, el metal más abundante en la Tierra, que puede soportar temperaturas increíblemente altas de más de 4, 000 grados Fahrenheit.

El año pasado, el equipo desarrolló una bomba que podía soportar un calor tan abrasador, y posiblemente podría bombear silicio líquido a través de un sistema de almacenamiento renovable. La bomba tiene la tolerancia al calor más alta registrada, una hazaña que se menciona en "El libro Guiness de los récords mundiales". Desde ese desarrollo, el equipo ha estado diseñando un sistema de almacenamiento de energía que podría incorporar una bomba de alta temperatura.

"Sol en una caja"

Ahora, los investigadores han esbozado su concepto para un nuevo sistema de almacenamiento de energía renovable, al que llaman TEGS-MPV, para Fotovoltaica Multi-Junction de Almacenamiento en Red de Energía Térmica. En lugar de utilizar campos de espejos y una torre central para concentrar el calor, proponen convertir la electricidad generada por cualquier fuente renovable, como la luz del sol o el viento, en energía térmica, mediante calentamiento por joule:proceso mediante el cual una corriente eléctrica pasa a través de un elemento calefactor.

El sistema podría combinarse con los sistemas de energía renovable existentes, como las células solares, para capturar el exceso de electricidad durante el día y almacenarlo para su uso posterior. Considerar, por ejemplo, un pequeño pueblo de Arizona que obtiene una parte de su electricidad de una planta solar.

"Digamos que todos se van a casa del trabajo, encendiendo sus acondicionadores de aire, y el sol se pone pero aun hace calor "Henry dice". En ese momento, la fotovoltaica no va a tener mucho rendimiento, por lo que tendría que haber almacenado parte de la energía de más temprano en el día, como cuando el sol salía al mediodía. Ese exceso de electricidad podría dirigirse al sistema de almacenamiento que hemos inventado aquí ".

El sistema consistiría en un gran fuertemente aislado, Depósito de 10 metros de ancho fabricado en grafito y relleno de silicio líquido, mantenido a una temperatura "fría" de casi 3, 500 grados Fahrenheit. Un banco de tubos expuesto a elementos calefactores, luego conecta este tanque frío a un segundo, Tanque "caliente". Cuando la electricidad de las células solares de la ciudad ingresa al sistema, esta energía se convierte en calor en los elementos calefactores. Mientras tanto, El silicio líquido se bombea fuera del tanque frío y se calienta aún más a medida que pasa a través del banco de tubos expuestos a los elementos calefactores. y en el tanque caliente, donde la energía térmica ahora se almacena a una temperatura mucho más alta de aproximadamente 4, 300 F.

Cuando se necesita electricidad, decir, después de que el sol se haya puesto, el silicio líquido caliente, tan caliente que brilla de color blanco, se bombea a través de una serie de tubos que emiten esa luz. Células solares especializadas, conocido como fotovoltaica multifuncional, luego convierte esa luz en electricidad, que se puede suministrar a la red de la ciudad. El silicio ahora enfriado se puede bombear nuevamente al tanque frío hasta la siguiente ronda de almacenamiento, actuando efectivamente como una gran batería recargable.

"Uno de los nombres cariñosos que la gente ha comenzado a llamar a nuestro concepto, es 'sol en una caja, 'que fue acuñado por mi colega Shannon Yee en Georgia Tech, "Dice Henry." Es básicamente una fuente de luz extremadamente intensa que está todo contenido en una caja que atrapa el calor ".

Una clave de almacenamiento

Henry dice que el sistema requeriría tanques lo suficientemente gruesos y fuertes para aislar el líquido fundido en su interior.

"El material está al rojo vivo en el interior, pero lo que toques en el exterior debe estar a temperatura ambiente, "Dice Henry.

Ha propuesto que los tanques estén hechos de grafito. Pero existe la preocupación de que el silicio, a temperaturas tan altas, reaccionaría con el grafito para producir carburo de silicio, que podría corroer el tanque.

Para probar esta posibilidad, el equipo fabricó un tanque de grafito en miniatura y lo llenó con silicio líquido. Cuando el líquido se mantuvo a 3, 600 F durante unos 60 minutos, se formó carburo de silicio, pero en lugar de corroer el tanque, creó una delgada, forro protector.

"Se adhiere al grafito y forma una capa protectora, Previniendo una mayor reacción, "Dice Henry." Así que puedes construir este tanque de grafito y no será corroído por el silicio ".

El grupo también encontró una forma de sortear otro desafío:como los tanques del sistema tendrían que ser muy grandes, sería imposible construirlos a partir de una sola pieza de grafito. Si, en cambio, estuvieran hechos de varias piezas, estos tendrían que sellarse de tal manera que se evite la fuga del líquido fundido. En su papel los investigadores demostraron que podían prevenir cualquier fuga atornillando piezas de grafito con pernos de fibra de carbono y sellándolos con grafoil, grafito flexible que actúa como un sellador de alta temperatura.

Los investigadores estiman que un solo sistema de almacenamiento podría permitir que una pequeña ciudad de alrededor de 100, 000 viviendas que se alimentarán íntegramente con energías renovables.

Henry enfatiza que el diseño del sistema es geográficamente ilimitado, lo que significa que puede ubicarse en cualquier lugar, independientemente del paisaje de una ubicación. Esto contrasta con la energía hidroeléctrica de bombeo, actualmente la forma más barata de almacenamiento de energía, que requiere ubicaciones que puedan albergar grandes cascadas y presas, para almacenar energía del agua que cae.

"Esto es geográficamente ilimitado, y es más barata que la hidroeléctrica de bombeo, que es muy emocionante, "Dice Henry". En teoría, este es el eje para permitir que la energía renovable alimente toda la red ".