Dentro de cinco años, explotar una central eléctrica de carbón o gas natural será más caro que construir nuevos parques eólicos y solares. De hecho, según un nuevo estudio de Bloomberg New Energy Finance, la construcción de un nuevo parque solar actualmente es más barato que la explotación de centrales de carbón y gas natural en muchas regiones del mundo.
Sin embargo, el cambio total a fuentes de energía renovables exige desesperadamente un almacenamiento de energía fiable y de bajo coste que pueda construirse en cualquier lugar.
Antora Energy quiere usar bloques de carbono para este tipo de almacenamiento térmico, mientras que Electrified Thermal Solutions busca fondos para construir un sistema similar con bloques de cerámica conductores. Su visión es similar: usar el exceso de electricidad renovable para calentar los bloques a más de 1.500°C y luego convertirla en electricidad para la red cuando sea necesario.
Para superar el coste de las centrales de gas natural que hoy respaldan la energía eólica y solar, el almacenamiento de energía tendría que costar unos 10 dólares por kilovatio-hora. Ambas empresas afirman que sus sistemas de calentamiento alcanzarán ese precio. Las baterías de iones de litio, por su parte, cuestan ahora unos 140 dólares por kilovatio-hora, según un estudio reciente de economistas del MIT, y podrían bajar hasta 20 dólares por kilovatio-hora, aunque sólo en 2030 o después.
Justin Briggs, cofundador y director científico de Antora, dice que él y sus cofundadores Andrew Ponec y David Bierman, que lanzaron la compañía en 2018, consideraron varias tecnologías de almacenamiento de energía para cumplir con ese objetivo. Esto incluía el método dominante en la actualidad, la hidroeléctrica de bombeo, en la que el agua bombeada a una mayor elevación hace girar las turbinas mientras cae, y el nuevo método similar de almacenamiento por gravedad, que implica levantar ladrillos de 35 toneladas y dejarlos caer.
Al final, el calentamiento de bloques de carbono ganó por su impresionante densidad energética, su sencillez, su bajo coste y su escalabilidad. La densidad energética está a la altura de las baterías de iones de litio, con unos cientos de kWh/m3, cientos de veces más que la hidroeléctrica de bombeo o la de gravedad, que también «necesitan dos depósitos separados por una montaña, o una pila de ladrillos del tamaño de un rascacielos«, dice Briggs.
Antora utiliza los mismos bloques de grafito que sirven de electrodos en los hornos de acero y las fundiciones de aluminio. «[Estos] ya se producen en cantidades de 100 millones de toneladas, así que podemos aprovechar esa cadena de suministro«, dice. Briggs imagina bloques del tamaño aproximado de una nevera de dormitorio empaquetados en unidades modulares y envueltos en materiales aislantes comunes como la lana de roca.
«Después de calentar estos bloques con electricidad, el verdadero reto es cómo recuperar el calor«, dice. Una opción es usar el calor para impulsar una turbina de vapor. Pero Antora optó por la termofotovoltaica, unos dispositivos similares a las células solares que convierten la radiación infrarroja y la luz de los bloques de carbono incandescentes en electricidad. El precio de estos dispositivos semiconductores se reduce drásticamente cuando se fabrican a gran escala, por lo que resultan más baratos por vatio que las turbinas. Además, a diferencia de las turbinas, que funcionan mejor cuando se construyen a gran escala, las termofotovoltaicas rinden bien independientemente de la potencia.
La termofotovoltaica existe desde hace décadas, pero Antora ha desarrollado un nuevo sistema.
Richard Swanson, uno de los asesores de la empresa, fue uno de los primeros pioneros de esta tecnología a finales de los años 70. La eficiencia con la que los dispositivos convierten el calor en electricidad se quedó estancada en los años 20 hasta que el equipo de Antora demostró una eficiencia del 30%, récord mundial, en 2019.
Lo lograron cambiando el silicio por semiconductores III-V de mayor rendimiento y usando trucos como el aprovechamiento de la luz infrarroja de menor energía que, de otro modo, atraviesa el semiconductor y se pierde. El sistema de Antora recupera ese calor colocando un reflector detrás del semiconductor para hacer rebotar los rayos infrarrojos hacia el bloque de grafito.
La tecnología se ha puesto de moda. Antora ha recibido financiación de ARPA-E en su fase inicial y ha participado en el programa de incubación Activate y en el programa acelerador Shell/NREL GameChanger. Más recientemente, han obtenido financiación de inversores de capital riesgo y de la Comisión de Energía de California para ampliar su tecnología, y construirán un sistema piloto en el emplazamiento de un cliente no revelado en 2022.
Electrified Thermal Solutions, que forma parte de la cohorte de la incubadora Activate 2021 y fue fundada en 2020, es mucho más joven. Los cofundadores de la empresa, Joey Kabel y Daniel Stack, eligieron bloques de cerámica como medio de almacenamiento térmico.
En concreto, los bloques de cerámica en forma de panal que se utilizan hoy en día para capturar el calor residual en las plantas siderúrgicas. Como la cerámica no es conductora de la electricidad, se han dopado los ladrillos para hacerlos conductores y poder calentarlos eléctricamente a 2.000 °C.
Stack afirma que tienen previsto destinar ese calor almacenado a un amplio mercado. Podrían usarlo para accionar una turbina de vapor para obtener electricidad, o para hacer funcionar cualquier otro proceso de alta temperatura, como la producción de cemento y acero.
El dúo aún está resolviendo algunos problemas técnicos, como evitar que la cerámica se oxide y se vaporice con el tiempo.
Con el tiempo, el sistema debería tener una vida útil de más de 20 años, otra gran ventaja sobre las baterías. Ahora están construyendo un prototipo, dice Kabel, pero el sistema final a escala real debería parecerse a un gran silo de grano que debería almacenar alrededor de 1 MWh/m3, superando la densidad energética de Antora.
Pasarán algunos años antes de que cualquiera de las dos empresas esté preparada para construir una instalación a gran escala.
Pero si consiguen demostrarlo, estas empresas podrían allanar el camino hacia una tecnología de almacenamiento rentable para la red eléctrica del siglo XXI.
«Queremos descarbonizar el sector industrial y eléctrico sustituyendo el proceso de combustión por un sistema de calentamiento renovable«, afirma Stack.
