Análisis exergético de sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala mediante bombas de calor de alta temperatura, utilizando CO2 como fluido de trabajo

Abstract

De acuerdo a la necesidad de mitigar la variabilidad de producción de energía eléctrica mediante recursos renovables de naturaleza variable (energía solar y eólica), se analiza la factibilidad técnica de utilizar un sistema de almacenamiento de energía mediante bombeo de calor (Pumped Heat Energy Storage o PHES) utilizando CO2 como fluido de trabajo, lo que permite alcanzar altas eficiencias con bajo riesgo asociado al ciclo y un menor potencial de contaminación ambiental en comparación a otros fluidos de trabajo. El funcionamiento de un sistema PHES, consiste en el uso de bombas de calor para almacenar energía, en forma de calor (normalmente con sales fundidas tipo sal solar), a partir de superávit eléctrico, o bien en condiciones de bajo costo marginal en la red (alta generación de renovables - eólicas o fotovoltaicas). El calor almacenado es transformado nuevamente en energía eléctrica a través de un ciclo de potencia apropiado. Se establecen 6 distintas posibles configuraciones con distintos grados de viabilidad de acuerdo a tres factores: Las ventajas de utilizar el mismo fluido de trabajo en carga y descarga (Ciclo de descarga tipo Rankine de vapor o Brayton de CO2), la limitante tecnológica de la no existencia en el mercado de una turbina de CO2 apropiada (tipo de expansor en la bomba de calor: Turbina o válvula de expansión) y la limitante tecnológica-económica de los compresores de CO2 comerciales, los cuales no alcanzan temperaturas ideales para el uso de sales fundidas como medio de almacenamiento de calor (utilización o no de calentador eléctrico como complemento del compresor en la bomba de calor). Además se explora la posibilidad de utilizar 5 tipos distintos de sales fundidas, algunas de las cuales presentan potencial de ser producidas localmente. Se realizan modelos computacionales de cada configuración y se comparan eficiencias Round-Trip, eficiencia exergética de la bomba de calor y uso de sales fundidas principalmente. Se descartan combinaciones de sales fundidas con configuraciones que resultan inviables y se obtienen eficiencias Round-Trip entre 40 y 63% para aquellas viables, siendo la configuración con mayor eficiencia la con bomba de calor sin modificaciones y ciclo Rankine estándar (no considera restricciones), seguida por la configuración equivalente pero con calentador eléctrico (eficiencias 3-5% menores considerando restricción del compresor). Luego, las más prometedoras son aquellas con descarga Brayton, con eficiencias 4-7% inferiores que las con ciclo Rankine y presentando la posibilidad de utilizar los mismos equipos tanto en carga como descarga (ciclo Brayton reversible), aunque con mayores presiones de trabajo (asociado a mayores costos). Se considera necesario un estudio económico con mayor profundidad para determinar la conveniencia o no de este tipo de ciclos, así como también cuantificar las ventajas y desventaja de cada uno de los casos estudiados. Por último, de las 5 sales evaluadas, se detecta gran potencial en sales de litio (eficiencias 2-5% menores que sal solar con un requerimiento de flujo aproximadamente 40% menor) que podrían ser producidas en Chile dada la disponibilidad de materia prima.