No hay muchas tecnologías novedosas de energía limpia que también puedan eliminar directamente las plantas de energía fósil. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. (NREL) ha creado uno.

El almacenamiento de larga duración a escala de red es crucial para cumplir los objetivos climáticos. La energía solar fotovoltaica y eólica tienen el impulso de ser una gran parte de la nueva economía energética, pero solo si podemos agregar suficiente almacenamiento de energía para hacer que estas fuentes intermitentes sean despachables bajo demanda a un costo más bajo y durante más tiempo y durante muchos más ciclos que las baterías.

IMAGE@Jeffrey Gifford, Patrick Davenport, Zhiwen Ma NREL Almacenamiento de energía térmica de 4 días DURADERO 

 

El mundo necesita una tecnología de almacenamiento de energía de larga duración tan barata como la hidroeléctrica de bombeo, pero sin los desafíos ambientales y de ubicación.

Con este fin, hace tres años, el programa “DAYS” de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE)  financió a NREL para avanzar en el almacenamiento de energía térmica de larga duración (100 horas) cargado con el excedente de electricidad de la energía fotovoltaica o eólica.

Arena de sílice local para almacenamiento térmico avanzado basado en partículas

El almacenamiento de energía térmica es una tecnología totalmente probada en plantas comerciales de CSP, pero utilizando un líquido; sales fundidas Sin embargo, cada vez más, el almacenamiento de partículas se está investigando como un medio de almacenamiento más eficiente que las sales fundidas que tienen un rango de trabajo entre 290 °C y 560 °C, debido al diferencial de temperatura mucho más alto de 300 °C y 1000 °C en partículas de arena.

“Hemos estudiado el almacenamiento de energía térmica basado en partículas desde 2011, inicialmente para concentrar energía solar”, dijo Zhiwen Ma, líder del proyecto NREL. “Ahora se ha ampliado, al almacenamiento independiente de energía térmica de partículas y calor de procesos industriales, y calefacción y refrigeración en edificios, para una descarbonización aún más amplia, al reemplazar el carbón y el gas natural.

El proyecto ENDURING de NREL se propuso demostrar cada uno de los nuevos componentes necesarios para almacenar energía térmica durante un máximo de cuatro días, circular durante 30 años o más y costar no más de 2,5 centavos por kWh. El almacenamiento de energía térmica ya es más barato que las baterías, solo si se amortiza dentro de una planta de CSP. Para mantener bajos los costos del almacenamiento térmico independiente, NREL diseñó un sistema que reutiliza las turbinas existentes y la tecnología de silos de granos.

La nueva tecnología superó el desafío de demostrar que puede almacenar y liberar energía de un sistema de almacenamiento de energía térmica basado en partículas de 26 000 MWh a través de un sistema de generación eléctrica de 130 MW durante un máximo de cuatro días; 100 horas El sistema es escalable para suministrar energía a comunidades locales o redes regionales de servicios públicos.

Sustituyendo un gas libre; aire, en lugar de gas natural en las centrales eléctricas

El equipo se asoció con GE para integrar el almacenamiento con un ciclo de energía de turbina de gas. “El objetivo era tratar de usar sistemas comerciales tanto como fuera posible en términos de ciclos de energía, ya que tienen cien años de desarrollo, hay mucha experiencia. ya está ahí”, dijo el Ph.D. de la Escuela de Minas de Colorado. estudiante y colaborador de NREL Jeffrey Gifford.

Las partículas de arena calentarían el aire, un gas que es predominantemente nitrógeno, para impulsar una turbina de gas disponible comercialmente. El aire es un gas mucho más respetuoso con el medio ambiente que el gas natural y, cuando se calienta con las partículas de arena almacenadas, puede impulsar la misma turbina de gas caliente que se usa en las centrales eléctricas de gas hoy en día sin modificaciones. El aire se calentaría con partículas de arena almacenadas en silos de 90 metros de altura, aproximadamente la altura de los silos industriales actuales.

“Queríamos generar un sistema de almacenamiento de energía térmica que pudiera integrarse con lo que ya existe”, dijo Giffords. «Al igual que podemos encender las plantas de energía de gas natural hoy cuando las necesitamos, ese es el papel de nuestro sistema de almacenamiento de energía de larga duración, para poder moldear la energía eólica y solar para que sean despachables».

Cómo funciona

Las partículas de arena de sílice barata del Medio Oeste se almacenan en cuatro silos de 90 metros de altura que están aislados para mantener el calor. Las líneas eléctricas de la red se conectan a calentadores en la parte superior del silo donde la arena cae en cascada sobre varillas calentadas eléctricamente elevando su temperatura a 1200°C y amontonándola; llenando el silo.

En la parte inferior, la arena caliente cae en un intercambiador de calor a través de un par de tolvas de bloqueo, donde la arena caliente calienta el aire que luego se canaliza hacia arriba y hacia el bloque de energía donde hace funcionar la turbina, produciendo electricidad. Para evitar que las partículas contaminen el aire, una fuerza centrífuga como en una aspiradora Dyson separa las partículas del aire para que el aire caliente se limpie antes de fluir hacia la turbina.

La arena ahora enfriada a 300 °C en la parte inferior del silo se vuelve a subir a la parte superior en un polipasto aislado diseñado por la subsidiaria de un socio de la industria, que sube por el costado del silo. Este uso de energía parasitario consumiría solo entre 1 y 4 MW de electricidad en un sistema de almacenamiento de 100 MW.

Cuando estaba en modo de carga o descarga, los cuatro silos se vaciaban y se rellenaban consecutivamente. La energía térmica almacenada se puede descargar en función de las necesidades de la red. Podrían simplemente retener las partículas calentadas durante días hasta que se necesiten. La pérdida de calor es insignificante, alrededor del uno por ciento por día.

Dónde está ahora el proyecto de investigación

“El proyecto ENDURING está terminando esta primavera. Estos primeros tres años, probamos todos los componentes para asegurarnos de que el concepto puede funcionar. Y ahora estamos buscando y persiguiendo activamente sacarlo de la escala de laboratorio y pasar a la escala piloto”, dijo Gifford, cuyo rol específico ha sido modelar cada uno de estos componentes para evaluar cómo funcionaría a escala completa; 100 megavatios o más.

“Nuestro proyecto es pionero en un sistema integrado que utiliza partículas y turbinas de aire para el almacenamiento de electricidad”, señaló. “Hemos realizado muchas pruebas fundamentales, construyendo un montón de diferentes estaciones de prueba para realizar pruebas a escala de laboratorio de todos los componentes novedosos del sistema, como el nuevo calentador resistivo o el silo de almacenamiento o el intercambiador de calor”.

Para eliminar el riesgo de los componentes novedosos, demostraron un intercambiador de calor de lecho fluidizado y la integración con la isla de energía utilizando maquinaria turbo. El equipo realizó 100 ciclos entre 1.200 °C y hasta 300 °C. Una prueba de calor de 500 horas para determinar la durabilidad de las partículas en un horno a 1200°C no encontró degradación.

La financiación del DOE hasta ahora ha permitido el desarrollo a escala de laboratorio por parte del equipo a un nivel de preparación tecnológica (TRL) de 5. El siguiente paso es construir una prueba a escala piloto de 2 a 5 MW. Babcock & Wilcox tiene un acuerdo exclusivo de opción de propiedad intelectual para licenciar la tecnología. Xcel Energy ha mostrado interés, pero al igual que otras empresas de servicios públicos, primero deben verlo demostrado a escala piloto, que el equipo de NREL espera obtener financiamiento en los próximos años.

“A continuación, esperamos obtener fondos para pruebas de componentes a gran escala, y hemos solicitado el programa ARPA-E; SCALEUP   para pasar a un TRL de 7. Si somos seleccionados, esto podría proporcionar suficiente financiación para la precomercialización, cuando la financiación privada pueda ponerse al día”, explicó Ma. La financiación en SCALEUP está diseñada para llevar tecnologías energéticas novedosas y prometedoras a escala comercial. ARPA-E anunciará los ganadores en agosto de 2022.

La belleza de descargar energía limpia almacenada a la red utilizando turbinas de gas en una planta de energía de ciclo combinado que funciona con aire caliente en lugar de gas natural es que esto crea una rampa de salida atractiva para que las plantas de energía eviten convertirse en activos varados y, en cambio, jugar un papel clave. importante para posibilitar un futuro de energía verdaderamente limpia.

Susan Kraemer, solarpaces.org

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