Sistemes d’emmagatzematge d’energia

Dos descobriments clau al voltant de l’energia: la calor és una forma d’energia i l’electricitat com a corrent elèctric.

Calòric: era considerada com una substància material, fluida, invisible, que no podia ser creada ni destruïda, però si transferida d’un cos a un altre (1).

Benjamin Thompson,  compte de Rumford (1753 Woburn, Massachusetts, 1814 Paris), descobreix a finals del s. XVIII que en tornejar un canó, el trepant s’havia de refrigerar amb aigua, que podia arribar a bullir, fins i tot. Va calcular que la calor produïda era proporcional al treball realitzat en l’operació de perforació, obrint la porta a considerar les transformacions d’energia mecànica en calor i a abandonar la teoria del calòric.
Els posteriors treballs de James P. Joule (1818, 1889) demostren que la transformació d’una determinada quantitat d’energia mecànica sempre dona una determinada quantitat de calor i estableix l’equivalència entre ambdós, relacionant les seves unitats de mesura. Posteriorment es va donar el nom de Joule a la unitat d’energia, quedant establert que: 1 J (energia)=4,18 cal (calor) (1)

Trenta anys abans però, James Watt i altres, ja havien fet funcionar la màquina de vapor, en diferents versions, aprofitant que la calor és una forma d’energia.

Alessandro Volta, el 1800, inventa la pila elèctrica com a generador de corrent elèctric continu. (5)

El 1830, Michael Faraday (Newington Butts, England, 1791, 1867) i Joseph Henry (Albany, New York, USA, 1797, 1878) descobreixen que els camps magnètics, presents als imants per exemple, podien induir corrents elèctrics i obren la possibilitat de la generació d’electricitat mitjançant dinamos i alternadors. Per generar l’electricitat però, cal que el camp magnètic variï, per exemple movent l’imant. Es produeix una transformació d’energia mecànica en energia elèctrica. Igualment es pot produir la transformació contrària, mitjançant els motors elèctrics. (1)

Tant en les transformacions de calor en energia mecànica o en les d’energia mecànica en electricitat, o en les transformacions inverses, cal disposar d’una certa quantitat d’energia que es transforma en una altra. L’electricitat és la forma d’energia universal, que es pot transformar amb facilitat en qualsevol altra energia, però té un problema encara avui sense solucionar: no es pot emmagatzemar en quantitats importants. Les piles i bateries són en realitat magatzems d’energia química que es transformen en electricitat i només serveixen a petita escala.

Les tendències actuals d’utilització d’energies renovables, esperem que durin, posen de manifest també el problema de l’emmagatzematge. El Sol i el vent no proporcionen energia de forma regular i continuada i la seva utilització fa necessari disposar d’un magatzem d’energia o una energia alternativa per assegurar el subministrament.

Ferdi Schüth, de l’Institut Max Planck per a la Investigació del Carbó, en un article de la revista Investigación y Ciencia de setembre 2012 (3), revisa les diferents formes d’ emmagatzematge disponibles actualment.

Mecànics:
– Centrals hidroelèctriques reversibles o d’hidrobombeig. L’energia elèctrica generada en un moment, potser sobrant a la xarxa, s’utilitza per pujar l’aigua fins a un dipòsit elevat. Aquesta energia es recupera deixant caure l’aigua per produir de nou electricitat. És una de les tècniques més econòmiques i efectives, ja que recuperen entre el 75 i el 80% de l’energia. No es pot aplicar però a molt gran escala. (4)

– Grans dipòsits subterranis d’aire comprimit, que quan surt acciona una turbina de gas per produir electricitat. Hi ha dues instal·lacions d’aquest tipus en funcionament, a Huntorf (Alemanya) i a Alabama (USA), amb rendiments del 40 i el 54 % respectivament. Aquestes instal·lacions no tenen en compte la calor generada en la compressió, necessària després en l’expansió de l’aire, ja que aquest es refreda i cal escalfar-lo de nou. Emmagatzemant aquesta calor el rendiment podria pujar fins el 70%. Aquest sistema té un gran avantatge respecte l’anterior i és que no produeix impacte al paisatge.

Tèrmics:
– S’escalfen dipòsits d’aigua, aprofitant la gran capacitat calorífica de l’aigua, o de sals foses . La calor s’aprofita després directament (la calefacció del Parlament Alemany utilitza la calor sobrant d’una central tèrmica propera) o per generar electricitat mitjançant turbines de vapor. El rendiment en aquest segon cas està limitat per les lleis de la termodinàmica (cicle de Carnot), com en qualsevol altre màquina tèrmica. Exemples d’aquest segon cas són: Andasol (Grup ACS), instal·lació solar (ciclindreparabòlic amb emmagatzematge) que utilitza una mescla de nitrat sòdic i potàssic, que s’escalfa durant el dia a 400 ºC i es refreda durant la nit fins a 300 ºC, amb un rendiment del 37 % en producció d’electricitat. Abengoa està fent una planta, Solana, de 280 MW a Arizona, amb tecnologia similar, que entrarà en funcionament el 2013.

– Una alternativa seria utilitzar en forma reversible la reacció d’hidrogenació del Mg, que allibera calor. La reacció inversa, deshidrogenació, absorbeix la calor del Sol i escalfa la mescla fins a 300 o 500 ºC, segons la pressió de l’hidrogen. Aquest procés té l’avantatge que el magnesi utilitzat és tres vegades menys que la massa de sals foses del procés anterior.

Electroquímics:
– Bateries d’ions de Li, comuns en ordinadors, telèfons mòbils i cotxes elèctrics. Els cotxes elèctrics consumeixen uns 0,15 kw.h / km i una bateria per una autonomia de 500 km pesaria uns 500 kg. Hi ha altres bateries basades en Na i S o en el ions de V 2+ i 5+. En els propers anys, es poden esperar progressos notables en la tecnologia de bateries.

Químics:
– L’hidrogen és un dels més prometedors portadors d’energia (no és tòxic, la seva combustió deixa aigua pura) per la seva gran densitat d’emmagatzematge: 3,3 kw.h / kg. Té inconvenients com la moderada densitat energètica, degut a que és gas inclús a altes pressions i no hi és lliure a la natura. El que sembla factible és el seu emmagatzematge en grans quantitats. La cova Clemens Dome d’Arizona té una capacitat de 580.000 m3 i podria contenir hidrogen a 100 bars (aprox. = 100 atm)
amb el que es podria obtenir 85 milions de kw.h d’energia elèctrica. Petits dipòsits per automòbils, juntament amb cel·les de combustible podrien ser una alternativa als motors de combustió.

– Metà i metanol podrien ser bons portadors d’energia per ser utilitzats tant com combustibles convencionals com per ser utilitzats en cel·les de combustible per produir energia elèctrica directament. D’altra banda l’etanol s’utilitza i pot tenir futur com combustible per transport.

Fonts d’informació:
(1) Física, P.A. Tipler, Ed. Reverté, 1978.
(2) Sistemas de almacenamiento energético, Ferdi Schüth, Revista Investigación y Ciencia, setembre 2012.
(3) http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2012/9/sistemas-de-almacenamiento-energtico-9032
(4) http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2012/7/centrales-reversibles-de-muro-circular-9287
(5) http://www.rtve.es/noticias/20110527/alessandro-volta-inventor-pila-electrica/435171.shtml

Audio de la xerrada.

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles “Sopa d’estrelles· del 11 d’octubre de 2012.

Aquesta entrada ha esta publicada en energia, física. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari