Los ladrillos refractarios, diseñados para soportar altas temperaturas, forman parte de nuestro arsenal tecnológico desde hace al menos tres milenios, desde la época de los hititas. Ahora, una propuesta de investigadores del MIT muestra que esta antigua invención podría desempeñar un papel clave para que el mundo abandone los combustibles fósiles y dependa, en su lugar, de fuentes de energía sin carbono.
La idea de los investigadores es aprovechar el excedente de electricidad que se produce cuando la demanda es baja —por ejemplo, en parques eólicos cuando soplan vientos fuertes por la noche— mediante calentadores eléctricos de resistencia, que convierten la electricidad en calor. Estos dispositivos utilizarían el excedente de electricidad para calentar una gran masa de ladrillos refractarios, que pueden retener el calor durante largos periodos si se encuentran dentro de una carcasa aislante. Más adelante, el calor podría utilizarse directamente en procesos industriales o alimentar generadores que lo conviertan de nuevo en electricidad cuando se necesite energía.
La tecnología en sí es antigua, pero su posible utilidad es un fenómeno nuevo, propiciado por el rápido auge de las fuentes de energía renovables intermitentes y por las peculiaridades del modo en que se fijan los precios de la electricidad. Desde el punto de vista tecnológico, el sistema «podría haberse desarrollado en la década de 1920, pero entonces no había mercado para él», afirma Charles Forsberg, investigador científico del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT y autor principal de un artículo de investigación que describe el plan y que aparece esta semana en Electricity Journal.
Forsberg señala que la demanda de calor industrial en Estados Unidos y en la mayoría de las regiones industrializadas supera, de hecho, la demanda total de electricidad. Y, a diferencia de la demanda de electricidad, que varía mucho y a menudo de forma impredecible, la demanda de calor industrial es constante y puede aprovechar una fuente adicional de calor siempre que esté disponible, lo que ofrece un mercado casi ilimitado para el calor que proporciona este sistema basado en ladrillos refractarios.
El sistema, al que Forsberg llama FIRES (por su nombre en inglés, FIrebrick Resistance-heated Energy Storage), elevaría en la práctica el precio mínimo de la electricidad en el mercado de las empresas de servicios públicos, que actualmente puede caer casi a cero cuando la producción es elevada, como ocurre en mitad de un día soleado, cuando la producción de las centrales solares alcanza su máximo.
Los precios de la electricidad se determinan con un día de antelación y se fija un precio distinto para cada intervalo de una hora del día. Esto se hace mediante un sistema de subastas entre los productores y los distribuidores de electricidad. Los distribuidores calculan cuánta electricidad prevén necesitar en cada hora, y los proveedores presentan ofertas basadas en los costes previstos de producción. Según las necesidades de cada momento, los precios pueden ser bajos si, por ejemplo, solo se necesitan centrales de gas natural de carga base, o mucho más altos si la demanda exige recurrir a centrales de punta, mucho más caras. Al final de cada subasta, los distribuidores determinan cuántas ofertas se necesitarán para satisfacer la demanda prevista; el precio que se pagará a todos los proveedores queda entonces fijado por la oferta más cara entre las aceptadas para esa hora.
Sin embargo, ese sistema puede dar lugar a resultados extraños cuando la electricidad, muy barata de producir —solar, eólica y nuclear, cuyos costes de operación reales son insignificantes—, basta para satisfacer la demanda. En ese caso, el precio que reciben los proveedores por la electricidad puede acercarse a cero, lo que vuelve antieconómicas las centrales.
Pero si se desvía gran parte de ese excedente de producción al almacenamiento térmico calentando una gran masa de ladrillos refractarios, y luego se vende ese calor directamente o se utiliza para accionar turbinas y producir electricidad más adelante, cuando se necesite, FIRES podría establecer, en esencia, un límite mínimo para el precio de mercado de la electricidad, probablemente cercano al precio del gas natural. Esto, a su vez, podría aumentar la rentabilidad de más fuentes de energía sin carbono, como la solar, la eólica y la nuclear, y fomentar así su expansión.
La caída de los precios de la electricidad debido a la expansión de las energías no fósiles ya está ocurriendo y seguirá acentuándose a medida que aumenten las instalaciones de energía renovable. «En mercados eléctricos como los de Iowa, California y Alemania, el precio de la electricidad cae casi a cero cuando la producción eólica o solar es elevada», afirma Forsberg. Cuando la capacidad de generación solar alcanza aproximadamente el 15 % de la capacidad total, o la eólica llega al 30 %, construir este tipo de instalaciones puede dejar de ser rentable si no se dispone de suficiente capacidad de almacenamiento para guardar el excedente y utilizarlo más adelante.
En la actualidad, las opciones para almacenar el excedente de electricidad se limitan, en esencia, a las baterías o a los sistemas hidroeléctricos de bombeo. En cambio, el sistema de almacenamiento térmico de baja tecnología con ladrillos refractarios costaría entre una décima y una cuadragésima parte de lo que cuesta cualquiera de esas opciones, afirma Forsberg.
Los ladrillos refractarios son simplemente una variante de los ladrillos comunes, fabricados con arcillas capaces de soportar temperaturas mucho más altas, de hasta 1.600 grados Celsius o más. Estos ladrillos de alta temperatura, prácticamente baratísimos de producir —al fin y al cabo, la arcilla no es más que un tipo de tierra—, se han encontrado en yacimientos arqueológicos que datan de hace unos 3.500 años, como los hornos de fundición de hierro construidos por los hititas en lo que hoy es Turquía. El hecho de que estos ladrillos hayan sobrevivido hasta nuestros días demuestra su durabilidad.
Hoy en día, al variar la composición química de la arcilla, se pueden fabricar ladrillos refractarios con diversas propiedades. Por ejemplo, los ladrillos colocados en el centro del conjunto podrían tener una alta conductividad térmica, para que absorban fácilmente el calor de los calentadores de resistencia. Estos ladrillos podrían transferir ese calor con facilidad al aire frío que se hace pasar por la masa para llevarlo hasta los procesos industriales. En cambio, los ladrillos de las partes exteriores de la estructura podrían tener una conductividad térmica muy baja y formar así una capa aislante que ayude a retener el calor del núcleo central.
El límite actual de FIRES son los calentadores de resistencia. Los calentadores fiables y de bajo coste que existen solo alcanzan unos 850 C. A la larga, propone Forsberg, los propios ladrillos podrían hacerse eléctricamente conductores para que actuasen por sí solos como calentadores de resistencia de bajo coste, produciendo y almacenando calor. Un material prometedor para estos ladrillos refractarios es el carburo de silicio, que ya se produce a gran escala para usos como el papel de lija. China produce actualmente alrededor de un millón de toneladas al año, afirma Forsberg.
Convertir ese calor de nuevo en electricidad plantea un reto técnico mayor, por lo que probablemente sería una versión de nueva generación del sistema FIRES, afirma. Esto se debe a que generar electricidad con las turbinas convencionales utilizadas en las centrales de gas natural requiere una temperatura mucho más alta. El calor para procesos industriales es viable a unos 800 C, explica, pero las turbinas necesitan aire comprimido calentado a un mínimo de 1.600 C. Los calentadores de resistencia comunes no pueden alcanzar esa temperatura, y estos sistemas también necesitarían un recipiente de presión que contenga el aire a la presión necesaria. La ventaja sería considerable: duplicar la temperatura de funcionamiento reduciría a la mitad el coste del calor producido, afirma Forsberg.
El siguiente paso, afirma Forsberg, será instalar algunas unidades prototipo a escala real para demostrar los principios en condiciones reales, algo que espera que ocurra antes de 2020. «Estamos buscando los clientes adecuados para esas primeras unidades», dice. Probablemente sería una empresa como una refinería de etanol, que consume mucho calor y está situada cerca de una instalación eólica de gran tamaño.
«Creo que FIRES es un enfoque innovador para resolver un problema real de la red eléctrica», afirma Regis Matzie, exdirector técnico de Westinghouse Electric, ya jubilado, que no participó en este trabajo. Según explica, el modo en que se determinan los precios de la electricidad en este país genera un «mercado eléctrico distorsionado [que] produce precios de mercado bajos o incluso negativos cuando las energías renovables aportan una parte significativa de la energía eléctrica de la red». «Una forma muy positiva de corregir esta tendencia sería implementar un método económico para almacenar la energía generada cuando los precios de la electricidad son bajos —por ejemplo, cuando las renovables producen una gran cantidad de electricidad— y liberar después esa energía almacenada cuando los precios del mercado son altos… FIRES ofrece una forma potencialmente económica de hacerlo, pero probablemente necesitaría una demostración para establecer su viabilidad operativa y económica».
El equipo de investigación incluía a los estudiantes de posgrado del MIT Daniel Stack, Daniel Curtis y Geoffrey Haratyk, así como al recién graduado Nestor Sepulveda, MS ’14.
