La necesidad de quitar el gas a los hogares ha aumentado desde el conflicto en Ucrania. Una batería de calor con sal y agua como componentes simples podría brindar una solución rápida y a gran escala para más de tres millones de hogares en los Países Bajos, el doble del objetivo establecido por el gobierno holandés. Esta batería de calor, desarrollada por un consorcio de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, TNO, la spin-off Cellcius y socios industriales, es económica, compacta, sin pérdidas y ahora está lista para las primeras pruebas en el mundo real.

Con el almacenamiento de calor en los hogares y aprovechando las grandes cantidades de calor residual industrial que, de otro modo, se desecharía, esta batería es un posible cambio de juego para la transición energética. Aquí hay cuatro razones para recargarse con la llegada de esta batería innovadora.

1. La base de la batería es increíblemente simple

Un simple experimento revela inmediatamente la esencia de la batería de calor. Llena una botella pequeña con granos de sal blanca, agrega un poco de agua y comienza a chisporrotear. Además, como por arte de magia, la botella se siente instantáneamente increíblemente caliente. Olaf Adan ha demostrado el experimento innumerables veces, asombrando a los espectadores una y otra vez.

Adan, profesor de TU/e ​​e investigador principal en TNO, está en el corazón de la batería de calor de Eindhoven, que esencialmente gira en torno a un principio termoquímico relativamente antiguo:la reacción de un hidrato de sal con vapor de agua. "Los cristales de sal absorben el agua, se hacen más grandes y, en el proceso, liberan calor", dice Adan. De ahí el biberón que se calienta rápidamente.

Pero lo contrario también es posible. "Al agregar calor, se evapora el agua y básicamente se 'seca' la sal, lo que reduce el tamaño de los cristales de sal", explica Adan. Mientras no llegue agua a este polvo de sal seco, el calor siempre se almacena en él. Por lo tanto, a diferencia de otros tipos de almacenamiento de calor, no se pierde nada:la batería está completamente libre de pérdidas.

Puede repetir este proceso indefinidamente, de una forma u otra, proporcionando así la base para una batería de calor que puede almacenar calor y utilizarlo en un momento posterior y en un lugar diferente. Esta es una solución para el suministro fluctuante de energía renovable en hogares y edificios, y para la reutilización conveniente de 'calor residual' en otro lugar.

Si bien el principio de la batería puede ser simple, aplicarlo en una batería ciertamente no lo es. Sea testigo del hecho de que Adan ha estado trabajando en esto durante más de 12 años. Por ejemplo, la elección del material de sal específico no es evidente. Hay miles de reacciones conocidas de hidratos de sal con agua. Adan los estudió todos con gran detalle y finalmente descubrió que solo un número muy limitado tiene las propiedades adecuadas para usar en una batería.

"Un cristal de sal como ese se hace más grande y más pequeño, el calor entra y sale todo el tiempo. Entonces, algo le sucede a esa partícula. Como resultado, puede desintegrarse rápidamente o agruparse con otras partículas. Por lo tanto, necesita un material que se puede seguir usando cíclicamente", dice Adan. Al final, él y su equipo se decidieron por el carbonato de potasio como base, una sal de fácil extracción que se puede encontrar en muchos productos, como alimentos, jabón o vidrio.

Entonces también necesita un dispositivo que aproveche al máximo el potencial de este material. Si tiene que caber en una casa, tiene que ser compacto y, preferiblemente, también asequible y muy eficiente. “Entonces comienzas a buscar todo tipo de conceptos de reactores, como en el vacío o al aire libre, pero sin éxito hasta la fecha”, dice Adan.

Finalmente, Adan llegó al llamado sistema de circuito cerrado, del cual construyó una demostración en 2019. Este sistema de recirculación consta de componentes que incluyen un intercambiador de calor, un ventilador, un evaporador/condensador y una caldera con partículas de sal. Con 7 kWh, la cosa seguía siendo bastante mínima; en teoría, esto podría proporcionar calefacción para una familia típica de cuatro personas durante dos días.

"Aún parecía bastante básico, con tecnología madura existente, pero nos permitió demostrar que nuestro concepto, por simple que fuera, funcionaba". Evidencia que permitió a Adan dentro del consorcio europeo HEAT-INSYDE (que incluye a TU/e, TNO, Caldic y partes de Francia, Bélgica, Polonia y Suiza) ganar un subsidio europeo de siete millones de euros para un mayor desarrollo. Luego, el equipo se puso a trabajar para "actualizar" el demostrador a un prototipo listo para usar en la práctica. Esto ya se ha logrado.

2. La tecnología está optimizada para su uso en el mundo real

En términos de dimensiones, el prototipo que ahora se ha realizado es probablemente comparable al demostrador, pero ahí es donde terminan las similitudes visibles. El prototipo parece una especie de gabinete grande con docenas de casilleros, con todo tipo de cables sueltos que sobresalen del costado.

Sorprendentemente, cada dúo de pequeños "casilleros" representa una batería de calor que iguala al demostrador original completo en términos de capacidad de almacenamiento. Todo el dispositivo contiene unos 30 "casilleros", con una capacidad de almacenamiento total de más de 200 kWh. Adan lo pone en perspectiva:"Eso es equivalente a dos Tesla completamente cargados".

"Hemos optimizado la versión anterior de innumerables maneras", explica con orgullo Adan. "Rediseñamos los componentes individuales, como el evaporador y el intercambiador de calor, aprovechamos mejor el espacio y utilizamos otros materiales". Mientras tanto, la unidad también incluye un sistema de medición y control, por ejemplo, para que sepas cuándo cargar y cuánto calor queda en el sistema.

La mayoría de las aplicaciones no requieren una batería tan grande. Es por eso que elegimos deliberadamente esas unidades múltiples y pequeñas que puedes combinar a tu antojo; un sistema modular, en otras palabras. "Si tienes un recipiente grande de sal, tienes que empezar a usarlo todo de una vez. Eso es realmente ineficiente", dice Adan. Así puedes usar 'bits' de la batería, separados del resto.

Además, las unidades separadas ofrecen todo tipo de posibilidades de diseño, haciendo posibles diferentes formas y tamaños, dependiendo de la situación práctica deseada. Adan habla de un prototipo orientado al usuario. "Todavía no es un producto, pero ahora todo está listo para probarse por primera vez en una situación del mundo real".

Y esas pruebas comenzarán a finales de este año, con los primeros pilotos de la batería de calor en los hogares. Se instalará una batería de unos 70 kWh —suficiente para unos días sin sol ni viento— en cuatro viviendas, dos en Eindhoven, una en Polonia y otra en Francia.

A pesar de que son "solo" cuatro casas, Adán espera que "aprendan mucho de esto". Por ejemplo, las pruebas proporcionarán información valiosa sobre qué más se necesita en la práctica para aplicar la batería a gran escala, así como sobre lo que piensa el usuario al respecto. Por ejemplo, ¿debería haber una aplicación para operar la batería?

3. El transporte de calor es crucial en la transición energética

La idea que lo inició todo fue la batería de calor como medio de almacenamiento en los hogares. Mientras tanto, sin embargo, el consorcio también está considerando el almacenamiento de calor en edificios de oficinas, horticultura en invernaderos o, por ejemplo, autobuses eléctricos o barcos de lujo.

Pero se dieron cuenta de que si esta batería térmica puede almacenar calor sin pérdidas, también se puede transportar sin pérdidas. Después de todo, no le sucede nada más a la sal seca mientras no se le agregue agua. Aquí es exactamente donde la batería térmica podría marcar la diferencia, porque otras formas de transporte de calor, como a través de tuberías o transiciones de fase, siempre generan pérdidas.

Por lo tanto, el consorcio también centra su atención en el calor residual industrial como fuente de calor, una especie de "desperdicio de calor", como el generado como subproducto en las fábricas o el calor excedente de los centros de datos. Este calor ya no es tan "caliente"; a temperaturas por debajo de 150 grados centígrados no tiene valor para la mayoría de la industria.

Para los hogares, sin embargo, ese calor es muy útil. Esas temperaturas son más que suficientes para calentar tu casa o darte una ducha caliente. Si el calor residual industrial pudiera usarse para calentar los hogares, tendría una situación en la que todos saldrían ganando:los hogares podrían independizarse del gas (una necesidad aún más urgente dada la dependencia del gas (ruso)) y del CO₂ se reducirían las emisiones.

Adán hace un cálculo rápido. "En los Países Bajos tenemos alrededor de 150 PetaJoule (un número con 15 ceros) de calor residual de la industria por año. Eso le permitiría quitar el gas a casi 3,5 millones de hogares, que es más del doble del objetivo del gobierno holandés". es decir, 1,5 millones de hogares sin gas para 2030".

Si superpone las ubicaciones de las fuentes de calor residual industrial y los hogares en un mapa de los Países Bajos, Adan dice que la coincidencia es razonablemente buena. No hay más de 30 kilómetros entre ellos.

Sin embargo, eso sigue siendo demasiado para las redes de calor, el método en el que ahora se está enfocando el gobierno. "Las rejillas de calor usan tuberías con agua, que enfría y, por lo tanto, limita su radio de acción", explica Adan. "Además, las redes de calor tienen un gran riesgo de inversión y se debe abrir todo el paisaje para construirlas, lo que no es una opción atractiva".

Con un consorcio que incluye a Cellcius (más sobre esto en un momento), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside y SABIC, Adan ahora está preparando una prueba de prueba en el mundo real para usar la batería de calor para la reutilización del calor residual industrial. El calor residual del campus de Chemelot en Sittard-Geleen se transportará a unas cincuenta viviendas del barrio del mismo municipio.

Adan:"Con una estación de recarga de calor en SABIC, recolectamos calor y secamos la sal. Luego llevamos esta sal en un camión a una especie de 'casa de transformadores' en el área residencial, desde donde las cincuenta casas reciben calor a través de tuberías. Así que no tenemos que estar en los hogares".

Y sí, usar camiones no es amigable con el clima, pero Adan puede tranquilizar a todos. "Las emisiones de esto son insignificantes en comparación con las emisiones que ahorramos con este transporte de calor. Además, queremos cambiar pronto a camiones eléctricos".

El piloto comenzará en el transcurso del próximo año, cuando los primeros camiones cargados con "energía" puedan salir a la carretera.

4. El paso a la valorización fortalece el desarrollo

Ahora que la tecnología está a punto de desplegarse en la sociedad, también se han dado pasos en el aspecto organizativo y económico. Por ejemplo, la spin-off Cellcius, la primera spin-off combinada de TNO y TU/e, se fundó a finales de 2020. "La empresa se fundó formalmente el 11 del 11, como debería ser en Brabante", se ríe. Adán, en un guiño a la fecha del tradicional inicio del Carnaval.

La joven empresa aún es pequeña, con cinco personas en este momento. Pero Adan espera que hayan crecido a alrededor de 10 a 15 personas para fin de año. "Además, desde Eindhoven Engine, estamos recibiendo una gran cantidad de estudiantes de todo tipo de estudios para colaborar en varios aspectos".

Desde la subvención europea de siete cifras, también se ha obtenido una gran cantidad de financiación adicional para permitir la realización del próximo proyecto piloto residencial. Y gracias a las inversiones recientes de Brabant Development Corporation, Innovation Industries y GoeieGrutten Impact Fund, se han dado los toques finales al panorama financiero para el piloto de transporte de calor.

Ahora que Adan, a través de Cellcius, ya no está involucrado únicamente como investigador sino que también tiene un pie en la valorización, ve cómo esta interacción tiene un efecto amplificador en la tecnología. "Porque ahora realmente estás trabajando en un producto, que a su vez genera nuevas preguntas para el trabajo de base, la tecnología. Este es un maravilloso ejemplo de co-creación y cómo te permite acelerar ese ciclo".

A pesar de la gran promesa de la tecnología que tiene a su disposición, Adan se mantiene con los pies en la tierra. "Si bien el potencial es excelente, también hemos visto muchas tecnologías de gran potencial que no lo han logrado. Así que vamos a mantener los pies en el suelo y dar un paso a la vez. Solo estoy en esto por uno". Cosa:es genial poder contribuir a la transición energética".