"Es fácil acceder a la arena, y es respetuosa con el medio ambiente. Es estable, bastante estable, en un amplio rango de temperaturas. Además, es barata", afirma Zhiwen Ma, ingeniero mecánico del Grupo de Sistemas de Energía Térmica del NREL y uno de los investigadores que ha desarrollado esta tecnología (TES, por sus siglas en inglés), cuya eficacia ya ha sido probada en el centro.
En la actualidad, se usan diferentes tecnologías para almacenar energía: baterías, hidroeléctrica de bombeo o almacenamiento térmico en sales fundidas; incluso rocas sobrecalentadas. “El almacenamiento en arena promete ser una alternativa de bajo coste a todas ellas, y ofrece una respuesta inmediata, sin restricciones geológicas. Al fin y al cabo, la arena, como el aire y el agua, está en todas partes”, señala Zhiwen Ma.
La tecnología desarrollada en el NREL rmuestra cómo los calentadores alimentados por fuentes de energía renovables -como la eólica y la solar- pueden elevar la temperatura de las partículas de arena hasta la temperatura deseada. A continuación, la arena se deposita en un silo para su almacenamiento y uso posterior, ya sea para generar electricidad o para calor de proceso en aplicaciones industriales. Un prototipo a escala de laboratorio validó la tecnología y permitió a los investigadores del NREL crear un modelo informático que demuestra que un dispositivo a escala comercial retendría más del 95% de su calor durante al menos cinco días.
"Si queremos alcanzar nuestros objetivos de reducción de carbono, necesitaremos dispositivos de almacenamiento de energía de larga duración, cosas que puedan almacenar energía durante días", afirma Jeffrey Gifford, investigador postdoctoral del NREL. Gifford, que ya comparte otras dos patentes con Ma sobre intercambiadores de calor que convierten la energía térmica almacenada en electricidad, añade que el uso de arena u otras partículas para almacenar energía térmica tiene otras ventajas: "El almacenamiento de energía térmica en partículas no depende de tierras raras ni de materiales que tienen cadenas de suministro complejas e insostenibles. Por ejemplo, en las baterías de iones de litio, persiste el reto de extraer cobalto de forma más ética."
Arena en movimiento
Gifford también es experto en dinámica de fluidos computacional, un conocimiento importante en este caso porque la arena tiene que fluir por el dispositivo de almacenamiento. Otros medios de TES son el hormigón y las rocas, que retienen fácilmente el calor pero permanecen sólidamente en su lugar. "La transferencia de calor es mucho mayor, más rápida y mucho más eficaz si el medio está en movimiento", explica Gifford.
Zhiwen Ma ha calculado que la arena es la opción más barata para almacenar energía si se compara con cuatro tecnologías “rivales”, como el almacenamiento por aire comprimido (CAES), la energía hidroeléctrica por bombeo y dos tipos de baterías. El CAES y la hidroeléctrica de bombeo también pueden almacenar energía durante decenas de horas, pero su coste por kilovatio-hora es superior. En EEUU, el de CAES oscila entre 150 y 300 dólares, mientras que el de la energía hidráulica de bombeo es de unos 60 dólares.
Una batería de iones de litio costaría 300 dólares el kilovatio-hora y sólo tendría capacidad para almacenar energía de una a cuatro horas. Con una duración de cientos de horas, la arena como medio de almacenamiento costaría entre 4 y 10 dólares el kilovatio-hora. Para garantizar el bajo coste, el calor se generaría utilizando electricidad en horas valle y a bajo precio.
En 2025 se pondrá en marcha un sistema de almacenamiento de energía eléctrica en arena en el campus Flatirons del NREL, a las afueras de Boulder (Colorado), diseñado para almacenar energía entre 10 y 100 horas. Este proyecto pretende demostrar el potencial comercial de la arena para el TES. "Esto representa una nueva generación de almacenamiento, más allá de las sales fundidas", señala Ma. Y "ampliar la cantidad de energía que puede almacenarse en la arena es tan sencillo como añadir más arena”, agrega Craig Turchi, director del Grupo de Investigación de Ciencias y Tecnologías de la Energía Térmica del NREL.
