La calefacción y la refrigeración representan aproximadamente el 50% del consumo mundial de energía, y el 30% de este consumo corresponde a la demanda de calefacción de la industria. Dado que la gran mayoría de los procesos de calefacción industrial utilizan combustibles fósiles para generar calor, esto ha provocado que los procesos de calefacción industrial sean responsables de ~25% de las emisiones globales.

En regiones clave se han establecido iniciativas gubernamentales para acelerar el desarrollo de tecnologías de descarbonización industrial, como la captura y almacenamiento de carbono (CCUS), las bombas de calor y el almacenamiento de energía térmica (TES), entre otras tecnologías de electrificación más directa. En su nuevo informe de mercado, «Thermal Energy Storage 2024-2034: Technologies, Players, Markets, and Forecasts», IDTechEx prevé que en 2034 se instalarán más de 40 GWh de capacidad de TES en toda la industria.

Un mercado emergente para el almacenamiento de energía térmica

Las tecnologías TES se han desplegado ampliamente en diversas aplicaciones y mercados, como el emparejamiento con plantas de energía solar concentrada (CSP), calefacción urbana, cadena de frío y calefacción de espacios para edificios. Su penetración en el sector industrial es mucho menor, ya que sólo el 1% de la capacidad mundial de TES está representada por sistemas instalados en entornos industriales. Dado que los gobiernos están intentando reducir las emisiones de la industria para ayudar a alcanzar objetivos más amplios de cero emisiones netas, se espera que aumente la proporción de la capacidad mundial de TES representada por los despliegues industriales. Dada la gran variedad de procesos de calentamiento industrial, es importante examinar las distintas tecnologías de STE que están desarrollando los principales actores y cómo influirán en su aceptación en la industria los diseños de los sistemas y los niveles de comercialización.

Principales actores y tecnologías de almacenamiento de energía térmica industrial

La mayoría de los agentes industriales del sector del almacenamiento térmico de energía se encuentran dispersos por Europa, Estados Unidos y Australia. Como se muestra en el informe de mercado de IDTechEx, estos actores están desarrollando y comercializando sistemas TES tanto de calor sensible como de calor latente para aplicaciones industriales, y la mayoría han desplegado proyectos piloto o de demostración comercial.

Mapa mundial de las sedes de los principales actores del almacenamiento de energía térmica. Fuente: IDTechEx

En un sistema TES de calor sensible, un medio de almacenamiento térmico, como sal fundida, hormigón o ladrillos refractarios, se calienta a una temperatura más alta, almacena este calor hasta que se necesita más tarde y lo transfiere a un proceso industrial cuando se descarga. El calor puede transferirse a un fluido caloportador (HTF), como agua, aire o aceite térmico. En los sistemas de calor latente, un material de cambio de fase (PCM), como una aleación metálica o el silicio, se calienta a temperatura constante para cambiar su fase de sólido a líquido.

Almacenamiento de energía térmica por calor latente

Los sistemas de calor latente pueden presentar mayores densidades de almacenamiento de energía que los sistemas de calor sensible, dado que se necesita una gran cantidad de calor para cambiar la fase de un material de sólido a líquido. Esto podría ser útil en la industria, donde los entornos de fabricación existentes pueden estar ya limitados espacialmente. Otra ventaja de los sistemas de calor latente es su capacidad para suministrar calor a una temperatura constante, dado que pueden funcionar en condiciones isotérmicas. Esto es importante para los procesos industriales que buscan el suministro de calor a parámetros de trabajo constantes, es decir, temperatura, presión y/o caudal.

Sin embargo, la contención de los PCM y la variación de las propiedades de los materiales en ciclos prolongados son factores que requieren un mayor desarrollo si se quiere que los sistemas de calor latente tengan una vida útil más larga o se sustituyan menos materiales a lo largo de la vida útil del sistema. Además, el número de actores clave que están desarrollando sistemas de calor latente es menor que el de sistemas de calor sensible. Un ejemplo es la empresa australiana 1414 Degrees, que está desarrollando una tecnología TES de calor latente basada en silicio. Es probable que, a medio plazo, estos factores se traduzcan en un menor número de despliegues de STE de calor latente a escala comercial.

Almacenamiento de energía térmica por calor sensible

Las tecnologías de TES de sales fundidas se han implantado ampliamente en aplicaciones de ESTC, lo que probablemente ha impulsado su adopción comercial en la industria antes que otras tecnologías de TES. Sin embargo, al descargarse, la temperatura de los medios de almacenamiento térmico utilizados en los sistemas de calor sensible disminuye, lo que, sin un diseño adicional del sistema, daría lugar a temperaturas variables que se suministrarían a un proceso industrial, lo que sería inviable o, al menos, indeseable.

Los sistemas de sales fundidas, como los desarrollados por la empresa noruega Kyoto Group, pueden resolver este problema incorporando bucles de recirculación continua, lo que mantendría la sal dentro de su intervalo de temperatura de trabajo sin dejar de suministrar calor a temperatura constante a un proceso industrial. Uno de los principales inconvenientes de las TES de sales fundidas es que estos sistemas no pueden almacenar calor a temperaturas superiores a 600 °C debido a la descomposición de la sal. Esto limita los casos de aplicación de esta tecnología, aunque seguirán demandándose para procesos industriales de baja y media temperatura, como el secado y el calentamiento de fluidos de proceso.

Los sistemas de calor sensible en estado sólido utilizan materiales como el hormigón y el ladrillo refractario, y están siendo desarrollados por empresas clave como EnergyNest y Rondo Energy. Un sistema de estado sólido que suministre aire caliente a un proceso podría mezclarse con una corriente de aire ambiente o más frío en el momento de la descarga, con proporciones variables a lo largo del tiempo de forma que el aire se suministre a un proceso a una temperatura constante. Sin embargo, esto aumentaría la complejidad y el coste del sistema. Y lo que es más importante, los sistemas de estado sólido pueden prometer el suministro de calor a temperaturas superiores a 1.000 °C, lo que será crucial para la descarbonización de determinados procesos de fabricación de vidrio, metal y cemento.

Perspectivas futuras de la tecnología de almacenamiento de energía térmica

Muchas de las tecnologías TES de estado sólido que se están desarrollando siguen teniendo dificultades para suministrar calor a temperaturas superiores a 1.300 °C debido a las limitaciones de la estabilidad mecánica y térmica de los materiales, y a que, para suministrar calor a temperaturas constantes, puede ser necesario mezclar fluidos más fríos con fluidos más calientes que abandonan el sistema en el momento de la descarga. Por lo tanto, será necesario desarrollar nuevos materiales o alterar su composición para descarbonizar algunas de las aplicaciones industriales de calefacción a más alta temperatura, incluidos algunos procesos de tratamiento térmico y fundición de metales. Una empresa clave, Electrified Thermal Solutions, con sede en Estados Unidos, está desarrollando una tecnología TES que adopta ladrillos cerámicos conductores de la electricidad. La composición química de estos ladrillos ha sido modificada para que puedan absorber la electricidad como fuente de energía y funcionar como elemento calefactor, almacenando el calor generado por la electricidad. Se podría construir un horno con los ladrillos para proporcionar calor radiativo directamente a un proceso, potencialmente hasta 1.800°C. Esto permitiría la descarbonización de la atmósfera. Esto permitiría descarbonizar algunos de los procesos de calentamiento industrial más extremos que se dan en las industrias del metal y el vidrio.

Además, en el futuro, es posible que las tecnologías de almacenamiento de energía termoquímica (TCES) penetren en el mercado. Estas tecnologías pueden recurrir a la sorción (adsorción o absorción) entre dos materiales o a reacciones químicas para almacenar energía en forma de potencial químico. Estos sistemas tienen densidades energéticas teóricas más altas y menores pérdidas de calor con el tiempo que los sistemas de calor latente y calor sensible. Esto podría hacerlos adecuados para futuras aplicaciones residenciales y de almacenamiento estacional. Se han creado varios prototipos de TCES, aunque el gran número de combinaciones de materiales que podrían utilizarse hipotéticamente en estos sistemas puede ser un obstáculo para el desarrollo comercial de cualquier tecnología TCES. Se necesita una optimización fina, una mayor concienciación y financiación de estas tecnologías para llevarlas al mercado.

LCR de almacenamiento de energía térmica para aplicaciones industriales. Fuente: IDTechEx

En la próxima década, como sugiere el informe de mercado de IDTechEx, se espera que los sistemas de calor sensible dominen el mercado industrial de TES. Su uso de materiales abundantes y de bajo coste, al tiempo que son capaces de proporcionar calor a más de 1.000 °C en el caso de los sistemas de estado sólido, los convierte en tecnologías adecuadas para una amplia gama de aplicaciones de calefacción industrial. Se espera un mayor desarrollo de las tecnologías de calor latente y TCES para la calefacción industrial descarbonizada, aunque mercados y aplicaciones más amplios podrían beneficiarse del uso de estos sistemas que suponen mayores densidades energéticas.

Autor: Conrad Nichols, analista tecnológico senior de IDTechEx