Este es el caso, por ejemplo, de la energía solar. En el norte de Chile existe una enorme disponibilidad de radiación solar, siendo el desierto de atacama el lugar de mayor radiación solar incidente en todo el planeta. De hecho, los niveles de los índices de radiación solar directa sobrepasan los 3600 kWh/m2 anuales (DNI).
A pesar de dicha condición particular de nuestra región norte, aún no logramos desplegar tecnologías que permitan hacer uso de todo su potencial. De hecho, en el año 2023, más del 20% de la energía eléctrica generada en las plantas solares no pudo ser aprovechada por falta de infraestructura de transmisión y/o por falta de sistemas de almacenamiento energético.
Esta situación suele observarse por un desfase entre la disponibilidad de la energía proveniente del sol y la demanda energética: la radiación se recibe durante las horas de sol a una intensidad variable, mientras que la demanda eléctrica tiene peaks durante la noche. Asimismo, la demanda de calor por la industria, generalmente se presenta bajo un perfil constante 24/7. Es en este contexto que vuelven fundamentales los sistemas de almacenamiento térmico, que permitan asegurar un suministro continuo de energía, entregando estabilidad al sistema eléctrico o bien un flujo de calor gestionable a procesos industriales.
Frente a esta problemática, el académico José Miguel Cardemil y su equipo se han abocado a encontrar nuevas formas de capturar, almacenar y utilizar el calor proveniente del sol. Principalmente buscan implementar tecnologías de almacenamiento que sean más económicas, sostenibles y escalables que las que se han utilizado tradicionalmente. Durante su investigación, se encontraron con un material de desecho: la escoria de cobre. Este residuo que se obtiene del proceso de fundición de cobre y que, además de ser económica y abundante (en Chile), tiene tres propiedades que la convierten en un material altamente interesante para almacenar calor: alta conductividad térmica, estabilidad frente a altas temperaturas y alta densidad energética.
La industria del cobre en Chile genera más de 40 mil toneladas de escoria de cobre al día: es un residuo difícil de refinar por los costos que implica y cuya acumulación puede generar no solo un problema para las fundiciones, sino también un impacto negativo para el medioambiente.
Considerando también los beneficios de reutilizar un residuo de la industria cuprífera y aportar a la economía circular, los investigadores estudiaron la posibilidad de usar escoria de cobre como material de relleno en un “packed-bed”: un estanque, comúnmente cilíndrico, con algún sólido empacado que permite que un fluido pasa a través del lecho intercambiando calor con el medio. De esta forma, idearon un estanque de lecho empacado considerando en su interior escoria de cobre como medio de almacenamiento. El diseño del estanque distribuye el flujo de manera radial, desde el centro del estanque hasta las capas exteriores, generando un efecto auto aislante. Al concentrar las partículas de mayor temperatura en el centro del estanque, la pared exterior del almacenamiento queda en contacto con la región de menor temperatura del material de relleno, lo que permite reducir en un 70% las pérdidas térmicas en comparación con otros sistemas de almacenamiento térmico. El sistema puede operar usando diferentes fluidos de transferencia de calor, pero ha sido principalmente probado con aire, el cual puede ser calentado a través de colectores solares o bien a través de resistencias eléctricas accionadas por energía renovable. Así, cuando el aire caliente pasa por la escoria de cobre, eleva la temperatura de esta acumulando el calor. Para recuperar este calor y poder utilizarlo, se revierte el flujo inyectando aire a baja temperatura, el cual es calentado al pasar por la escoria y así ser suministrado a un proceso industrial.
Departamento de Ingeniería Mecánica y Metalúrgica
Esquema conceptual del sistema de almacenamiento packed-bed. Aquí se muestra el diseño interno del estanque en donde el flujo de aire caliente proveniente de la energía solar fluye de manera radial, desde el centro del estanque hasta las paredes exteriores, generando un efecto auto aislante.
Para estudiar el desempeño del packed-bed usando escoria de cobre, el investigador y su equipo construyeron tres estanques en el laboratorio e hicieron pruebas a temperaturas entre 50 y 700ºC. Así, comprobaron que esta tecnología permite operar de forma estable una mayor temperatura que otras alternativas (700 versus 565ºC de las sales fundidas), lo que hace más eficiente el proceso de conversión de energía. Se comprobó además que requiere un menor volumen de almacenamiento, por lo que el costo de implementación puede ser menor, principalmente dado el bajo valor comercial de la escoria de cobre, junto con usar aire atmosférico para los procesos de transferencia y recuperación de la energía almacenada.
Los resultados de la investigación indican que la escoria de cobre tiene una alta capacidad de almacenamiento térmico y que los modelos de tanque evaluados son energéticamente eficientes. Sin embargo, para poder optimizar aún más su desempeño, el equipo se encuentra trabajando en el desarrollo de un sistema de inyección de aire, para distribuir el calor más eficientemente, y de un sistema de control que les permita supervisar el funcionamiento del packed-bed con más precisión.
Esta forma de almacenamiento permitiría entonces, revalorizar toneladas de residuos industriales, junto con permitir aprovechar la energía solar disponible, tanto a través de colectores térmicos, como permitiendo usar vertimientos de energía eléctrica debido a restricciones en la infraestructura de transmisión. Así, es posible reducir los costos de almacenamiento de forma significativa y, en consecuencia, ofrecer un suministro de calor industrial 24/7 a un pecio competitivo. De esta manera, la energía solar podría posicionarse como una energía renovable competitiva en el mercado energético (tanto eléctrico como térmico), proporcionando energía, limpia, segura y confiable.
Sistema de almacenamiento pack-bed construido por el equipo de investigadores. El panel derecho muestra el sistema completo y el panel izquierdo el interior del cilindro empacado con escoria de cobre.
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