La expansión de la energía solar y eólica está cambiando la manera en que los sistemas eléctricos producen y consumen electricidad. Sin embargo, existe un problema que todavía representa uno de los grandes desafíos de la transición energética: la electricidad renovable no siempre se produce en el momento en que se necesita.
Los paneles solares generan electricidad principalmente durante las horas de mayor radiación solar, mientras que la demanda puede mantenerse durante la noche o aumentar en momentos en los que la producción solar es baja. Algo similar ocurre con la energía eólica, cuya generación depende de la disponibilidad del viento.
Ante este escenario, investigadores e instituciones científicas de Alemania llevan años desarrollando diferentes sistemas capaces de almacenar energía durante periodos más prolongados. Entre las tecnologías estudiadas se encuentra el almacenamiento térmico con sales fundidas, una alternativa que permite transformar electricidad o energía solar en calor y conservarla para utilizarla posteriormente.
No obstante, es importante hacer una precisión: no existe evidencia suficiente para afirmar que un único proyecto alemán ya esté almacenando electricidad solar durante todo el verano para utilizarla específicamente durante el invierno mediante una “batería de sal fundida”. Esa formulación simplifica y mezcla diferentes líneas de investigación. Lo que sí existe en Alemania son instalaciones experimentales y proyectos que estudian el almacenamiento térmico con sales fundidas, incluyendo sistemas capaces de almacenar energía durante periodos de varias horas o, dependiendo del diseño, más tiempo.
¿Por qué almacenar energía durante largos periodos?
Uno de los principales problemas de las energías renovables es su carácter variable.
Una planta fotovoltaica puede producir una gran cantidad de electricidad durante un día soleado, pero esa producción disminuye cuando llega la noche. Si en determinado momento se genera más electricidad de la que la red necesita, existen varias posibilidades: enviarla a otros consumidores, reducir la generación o almacenarla.
El almacenamiento convencional mediante baterías de ion-litio es una de las soluciones más conocidas. Estas baterías son especialmente útiles para almacenar electricidad durante periodos relativamente cortos, como unas horas.
Pero cuando se busca almacenar grandes cantidades de energía durante periodos más largos, el panorama cambia.
Aquí es donde aparecen tecnologías como las baterías de flujo, el hidrógeno, el almacenamiento mediante aire comprimido y las baterías térmicas, entre otras.
Las sales fundidas son especialmente interesantes porque pueden almacenar una gran cantidad de energía en forma de calor y trabajar a temperaturas muy elevadas.
¿Qué son las sales fundidas?
Una sal fundida es, básicamente, una mezcla de sales que se mantiene en estado líquido gracias a temperaturas elevadas.
En los sistemas de almacenamiento térmico utilizados en energía solar concentrada se han empleado, por ejemplo, mezclas basadas en nitrato de sodio y nitrato de potasio. Estos materiales pueden funcionar como medio para transportar y almacenar calor a temperaturas de varios cientos de grados Celsius.
El principio es relativamente sencillo.
Primero, la energía disponible se utiliza para calentar la sal. Cuando la sal alcanza una temperatura elevada, conserva una cantidad importante de energía térmica.
Posteriormente, cuando se necesita recuperar esa energía, el calor almacenado puede utilizarse para calentar otro fluido, producir vapor o alimentar diferentes procesos industriales.
En determinados sistemas de generación eléctrica, el vapor producido puede mover una turbina conectada a un generador.
Por eso, más que una batería convencional, este tipo de tecnología puede entenderse como una batería térmica: la energía se almacena principalmente como calor y posteriormente puede convertirse nuevamente en electricidad o utilizarse directamente como calor.
El concepto no es completamente nuevo. Las sales fundidas ya se utilizan comercialmente en determinadas plantas solares termoeléctricas y llevan años siendo objeto de investigación para mejorar su eficiencia y reducir sus costos.
Alemania ya cuenta con instalaciones experimentales
Uno de los ejemplos más importantes se encuentra en el trabajo del Centro Aeroespacial Alemán (DLR).
El DLR dispone de la instalación TESIS:store, un sistema experimental de almacenamiento térmico de un solo tanque que puede contener aproximadamente 85 toneladas de sal fundida y alcanzar una capacidad de almacenamiento térmico de 4 MWh.
El objetivo de esta infraestructura no es simplemente demostrar que la sal puede almacenar calor, sino estudiar cómo se comporta el sistema en condiciones reales de operación y qué tan viable puede resultar para futuras aplicaciones industriales y energéticas.
El DLR también investiga la compatibilidad entre las sales fundidas y los materiales utilizados en los sistemas, así como problemas relacionados con la corrosión, la transferencia de calor y el comportamiento de los fluidos.
Estos aspectos son fundamentales porque trabajar con sales a temperaturas de cientos de grados Celsius impone exigencias importantes sobre tanques, tuberías, bombas, válvulas y otros componentes.
De acuerdo con el DLR, su experiencia con el almacenamiento TESIS se utiliza también para investigar aplicaciones relacionadas con las llamadas baterías de Carnot, almacenamiento de electricidad y procesos industriales que necesitan grandes cantidades de calor.
De la electricidad al calor: así se puede almacenar el excedente
Una de las posibilidades más interesantes consiste en utilizar electricidad renovable sobrante para generar calor.
Imaginemos un día en el que Alemania dispone de una producción muy elevada de energía solar y eólica. Si la generación supera la demanda en determinados momentos, una parte de esa electricidad podría utilizarse para alimentar un calentador eléctrico de alta potencia.
Ese calentador elevaría la temperatura de la sal fundida.
La energía eléctrica, por tanto, se transforma en energía térmica y queda almacenada.
Más tarde, cuando la electricidad renovable sea menos abundante o cuando una instalación industrial necesite calor, el sistema puede recuperar la energía almacenada.
Este concepto está siendo investigado actualmente por el Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE).
Uno de sus proyectos, denominado LoCoMoSa, estudia sistemas de almacenamiento de sales fundidas que puedan cargarse cuando existe abundante electricidad renovable y esta tiene un costo bajo. El calor almacenado puede utilizarse posteriormente en procesos industriales, con temperaturas previstas de entre 120 °C y 450 °C.
Esto abre una posibilidad especialmente importante: el almacenamiento no tendría que utilizarse necesariamente para volver a producir electricidad.
En muchos casos, puede ser más eficiente utilizar directamente el calor almacenado.
Una alternativa especialmente interesante para la industria
La industria necesita grandes cantidades de calor para procesos como secado, producción de vapor, tratamiento de materiales, fabricación de productos químicos y muchas otras actividades.
Actualmente, buena parte de ese calor se obtiene mediante combustibles fósiles.
Una batería térmica podría permitir que una empresa compre electricidad renovable cuando exista abundancia, la transforme en calor y almacene ese calor hasta que sea necesario.
Esto puede ayudar a reducir el uso de gas natural y otros combustibles.
El Fraunhofer ISE señala precisamente que sus investigaciones buscan desarrollar sistemas de almacenamiento térmico de media y larga duración para aplicaciones industriales. En el proyecto LoCoMoSa, por ejemplo, se plantea almacenar energía durante periodos de precios eléctricos bajos asociados a una elevada producción renovable para utilizarla posteriormente en procesos industriales.
La ventaja está en que el sistema puede desacoplar dos momentos diferentes: el momento en que la energía está disponible y el momento en que se necesita el calor.
El papel de la energía solar
Las sales fundidas tienen una relación particularmente estrecha con la energía solar termoeléctrica.
En una planta solar de concentración, espejos dirigen la radiación solar hacia un receptor. El calor obtenido puede utilizarse para calentar un fluido, incluida una sal fundida.
Posteriormente, ese calor puede almacenarse en tanques aislados.
Cuando la radiación solar disminuye, el calor almacenado puede continuar alimentando el proceso de generación.
Alemania también ha trabajado en esta área.
El Fraunhofer ISE desarrolla instalaciones experimentales capaces de investigar sistemas de almacenamiento con sales fundidas a temperaturas de hasta 550 °C, incluyendo sistemas de un solo tanque y diferentes configuraciones para estudiar la estratificación térmica.
Además, el proyecto HybridKraft busca combinar energía fotovoltaica, energía solar térmica y almacenamiento. Una de las ideas centrales consiste en utilizar electricidad fotovoltaica para calentar directamente la sal fundida mediante un calentador eléctrico.
El objetivo es desarrollar un sistema que permita aprovechar mejor la electricidad solar y aumentar la flexibilidad de las plantas solares térmicas.
¿Puede realmente guardarse la energía hasta el invierno?
Esta es una de las cuestiones más interesantes y, al mismo tiempo, una de las que requiere mayor precisión.
Sí existen sistemas de almacenamiento térmico estacional capaces de conservar energía durante meses, pero no debe confundirse esto con afirmar que las actuales instalaciones alemanas de sales fundidas ya están almacenando grandes cantidades de electricidad solar del verano para devolverla durante el invierno.
La duración del almacenamiento depende enormemente del diseño.
Un tanque de sales fundidas convencional está pensado principalmente para conservar calor durante horas o, en determinadas configuraciones, periodos más largos. A medida que aumenta el tiempo de almacenamiento, las pérdidas térmicas, el aislamiento y los costos de infraestructura adquieren mayor importancia.
De hecho, el Fraunhofer ISE señala que determinados sistemas de sales fundidas pueden utilizarse para almacenamiento de media y larga duración, mientras que uno de sus desarrollos industriales actuales contempla almacenamiento de unas horas hasta aproximadamente una semana, dependiendo de las condiciones y del uso previsto.
Por eso, hablar de almacenamiento específicamente “del verano al invierno” requiere una tecnología y una escala diferentes.
El concepto de almacenamiento estacional sí es relevante para la transición energética, pero puede apoyarse en diferentes tecnologías: almacenamiento subterráneo de calor, grandes depósitos de agua, materiales termoquímicos, hidrógeno y otros sistemas.
¿Por qué no utilizar simplemente baterías de litio?
Las baterías de ion-litio son excelentes para determinadas aplicaciones, pero no necesariamente son la opción más económica para todos los tipos de almacenamiento energético.
Una batería eléctrica convencional almacena directamente electricidad mediante procesos electroquímicos. En cambio, una batería térmica puede utilizar materiales relativamente abundantes y almacenar grandes cantidades de energía como calor.
En aplicaciones industriales donde el objetivo final es obtener calor, utilizar una batería electroquímica para almacenar electricidad y posteriormente convertirla nuevamente en calor puede implicar pasos adicionales.
Una batería térmica podría realizar el proceso de manera más directa:
electricidad renovable → calor → almacenamiento → calor para el proceso industrial.
En el caso de una planta solar termoeléctrica, el proceso puede ser diferente:
radiación solar → calor → almacenamiento en sales → vapor → electricidad.
La tecnología adecuada dependerá, por tanto, de lo que se quiera conseguir.
Los desafíos todavía son importantes
Aunque las perspectivas son interesantes, las sales fundidas no son una solución mágica.
Uno de los principales retos es la temperatura de operación. Mantener la sal en estado líquido requiere temperaturas elevadas y un control adecuado del sistema.
También existen problemas de corrosión y compatibilidad de materiales. Los investigadores deben asegurarse de que los componentes puedan soportar durante largos periodos la combinación de temperaturas elevadas y contacto con las sales.
Otro desafío son las pérdidas de calor.
Un tanque puede estar perfectamente aislado, pero no existe un aislamiento que elimine completamente la transferencia de calor hacia el exterior. Cuanto mayor sea el periodo de almacenamiento, más importante se vuelve este problema.
El costo también es decisivo.
Precisamente por eso instituciones como Fraunhofer están investigando materiales de relleno que permitan reducir la cantidad de sal necesaria. En el proyecto FENOPTHES se probaron materiales capaces de ocupar parte del volumen del almacenamiento y reducir la dependencia de medios de almacenamiento de alta temperatura más costosos.
En investigaciones posteriores, Fraunhofer ISE reportó sistemas con una mezcla de 60 % de nitrato de sodio y 40 % de nitrato de potasio, operando normalmente entre aproximadamente 290 °C y 550 °C, y señaló resultados prometedores en eficiencia de almacenamiento con materiales de relleno.
Una pieza más del futuro energético
El interés alemán por las sales fundidas debe entenderse dentro de un panorama mucho más amplio.
La transición hacia fuentes renovables no consiste únicamente en instalar más paneles solares y aerogeneradores. También requiere desarrollar sistemas capaces de gestionar la energía cuando la producción y la demanda no coinciden.
En ese escenario, el almacenamiento térmico puede desempeñar un papel importante.
Las sales fundidas podrían ayudar a aprovechar electricidad renovable durante los periodos de alta generación, proporcionar calor a industrias y, en determinados sistemas, contribuir a producir electricidad posteriormente.
Su mayor potencial podría encontrarse precisamente en aplicaciones donde el calor sea el producto final.
Alemania ya cuenta con instalaciones experimentales, proyectos industriales y centros de investigación dedicados a estudiar esta tecnología. El DLR trabaja con sistemas de almacenamiento de sales fundidas y baterías de Carnot, mientras que Fraunhofer ISE investiga nuevas configuraciones, materiales, calentadores eléctricos y sistemas destinados a integrar el almacenamiento con fuentes renovables.
El verdadero objetivo: que la energía renovable esté disponible cuando se necesite
El desafío de la transición energética no es únicamente producir energía limpia, sino conseguir que esa energía pueda utilizarse en el momento y el lugar adecuados.
Las sales fundidas ofrecen una manera de abordar una parte de ese problema mediante el almacenamiento de energía en forma de calor.
Todavía quedan obstáculos técnicos y económicos antes de que estas tecnologías puedan desplegarse masivamente para almacenamiento de muy larga duración. Sin embargo, los experimentos realizados en Alemania muestran que la investigación ya ha pasado de la simple idea de laboratorio a instalaciones capaces de trabajar con grandes cantidades de sal y temperaturas de cientos de grados.
Por ello, más que hablar de una única “batería de sal” que permita guardar todo el verano para enfrentar el invierno, el desarrollo alemán debe entenderse como una carrera por construir sistemas de almacenamiento térmico más baratos, eficientes y flexibles, capaces de aprovechar los excedentes de energía renovable y ponerlos a disposición cuando realmente sean necesarios.
La apuesta es clara: en un sistema energético dominado cada vez más por el sol y el viento, almacenar la energía será casi tan importante como producirla.