Almacenar energía eólica y solar en forma de calor en arena
Una "batería de arena" es un sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura que utiliza arena o materiales similares a la arena como medio de almacenamiento. Su objetivo principal es funcionar como un reservorio de alta potencia y capacidad para el exceso de energía eólica y solar. La firma finlandesa Polar Night Energy ha desarrollado una batería de arena de muy alta eficiencia (hasta el 95%) de la que ya dispone de una instalación comercial en operación.
En una batería de arena, la energía se almacena en forma de calor, que se puede utilizar para calentar hogares o para proporcionar vapor caliente y calor de proceso a alta temperatura para industrias que a menudo dependen de los combustibles fósiles.
Este sistema de almacenamiento de calor consta de un silo aislado hecho de una carcasa de acero, llena de arena y tuberías de transferencia de calor. Además, se requiere de determinados equipos fuera del silo de almacenamiento, como componentes de automatización, válvulas, un ventilador, un intercambiador de calor y un generador de vapor.
La energía eléctrica, preferiblemente generada por instalaciones renovables, se transfiere al sistema de almacenamiento de calor mediante un conjunto de tuberías de aire en circuito cerrado. El aire se calienta usando resistencias eléctricas y circula por la tubería de transferencia de calor.
El calor se extrae del sistema de almacenamiento inyectando aire frío a través de las tuberías. Este aire se calienta a medida que pasa por el sistema de almacenamiento y se puede utilizar, por ejemplo, para producir vapor de proceso o para calentar agua para un sistema de calefacción urbana en un intercambiador de calor aire-agua. El calor se puede volver a convertir en electricidad mediante una turbina ORC o una turbina de vapor, pero esto requiere de una inversión adicional. Además, la conversión del calor a electricidad tiene pérdidas inherentes, lo que complica el aspecto económico.
Los acumuladores de calor a base de arena pueden almacenar varias veces la cantidad de energía que se puede almacenar en un tanque de agua de tamaño similar; esto es gracias al amplio rango de temperatura que permite la arena. Por tanto, las baterías de arena ahorran espacio y permiten un uso versátil en muchas aplicaciones industriales.
La arena puede permanecer caliente durante meses si es necesario, pero el caso de uso real del almacenamiento de calor en Kankaanpää, primera instalación comercial de esta tecnología, es cargarlo en ciclos de aproximadamente 2 semanas. El almacenamiento de calor tiene su mejor rango de uso cuando se carga y descarga de 20 a 200 veces por año, dependiendo de la aplicación.
Esta tecnología puede emplearse en una amplia gama de empresas e industrias. Por ejemplo, empresas energéticas, operadores de edificios residenciales y comerciales, industria de alimentación y bebidas, industria textil, industria química y farmacéutica, industria de producción de metales e industria de pulpa y papel y otras industrias.
Primer sistema comercial de almacenamiento de energía térmica en arena en funcionamiento
El primer sistema comercial de almacenamiento de calor a alta temperatura en arena de Polar Night Energy está en funcionamiento en el área de la planta de energía de Vatajankoski. El almacenamiento de calor, que tiene cien toneladas de arena en su interior, produce calor de bajas emisiones para una red de calefacción urbana de la ciudad de Kankaanpää, en el oeste de Finlandia.
El sistema consiste en un contenedor de acero de aproximadamente 4 m de ancho y 7 m de alto que contiene 100 t de arena en su interior. Como material, la arena es duradera y económica y puede almacenar mucho calor en un volumen pequeño a una temperatura de unos 500–600 ºC.
Este sistema de almacenamiento de energía en forma de calor tiene 100 kW de potencia calorífica y 8 MWh de capacidad energética.
Vatajankoski utiliza el calor proporcionado por el almacenamiento para preparar el calor residual recuperado de sus servidores de datos. Dependiendo de la temporada, la temperatura del calor residual de 60 ºC de los servidores debe elevarse a 75–100 ºC antes de alimentar la red de calefacción urbana.
Polar Night Energy también tiene un una planta piloto en funcionamiento de 3 MWh en Hiedanranta, Tampere. Este sistema está conectado a una red local de calefacción urbana y proporciona calor a un par de edificios. El piloto permitió probar, validar y optimizar la solución de almacenamiento de calor. En el piloto, la energía proviene en parte de una instalación solar de 100 m2 y en parte de la red eléctrica.
