Luis Adrián López Pérez, Armando Huicochea Rodríguez
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La irradiancia solar que llega a la superficie terrestre es de alrededor de 86,000 teravatios (TW) (Lindsey, 2009). Sin embargo, la noche, las nubes y las estaciones hacen que esta enorme fuente de energía sea intermitente y escasamente aprovechada. ¿Y si pudiéramos almacenar el calor del sol como si fuera agua en una presa?
El Sistema de Almacenamiento de Calor Solar (SACS) es una tecnología desarrollada para capturar, concentrar y acumular la energía solar en forma de calor en un fluido o sólido con niveles térmicos de 70 a 800 °C (Khan et al., 2022). Esta tecnología puede ser usada en días nublados y durante la noche, y por ello, el SACS ayuda a reducir la dependencia de combustibles fósiles y la contaminación ambiental, logrando un suministro constante de calor para la generación eléctrica, procesos industriales y climatización de edificios, entre otros. Estos sistemas tienen muchas ventajas que los posicionan como una solución estratégica para la transición hacia energías más limpias. Una de ellas es el suministro de energía continuo, como en la planta Gemasolar, instalada en Sevilla, España, que puede alcanzar hasta 18 horas de autonomía sin radiación solar (Fritsch et al., 2019). Además, ofrecen un costo de almacenamiento reducido en periodos de uso mayores a 10 horas, gracias a que los materiales usados como agua, sales fundidas o rocas son más económicos que las baterías de ion-litio (Jacob et al., 2023). Los SACS pueden almacenar mucha energía, alcanzando hasta 150 MW a 565 °C y generar hasta 500 GWh de electricidad, es decir, la suficiente energía para abastecer 120,000 hogares (Benbba et al., 2024). Además, se destacan por su versatilidad industrial, ya que el calor almacenado puede usarse directamente en procesos de alta temperatura o en sistemas de calefacción distrital. Las sales fundidas, ampliamente utilizadas, son químicamente estables y soportan múltiples ciclos térmicos sin degradación significativa. Finalmente, su tecnología base es fiable y ampliamente implementada a nivel mundial, lo que favorece su adopción y desarrollo (Khan et al., 2022).
FUNCIONAMIENTO
Un SACS opera en un circuito cerrado, integrado por un campo de colectores solares, un tanque de almacenamiento, un intercambiador de calor, un calentador auxiliar, bombas de circulación y válvulas de control (Figura 1). El campo de colectores solares calienta un fluido (agua o refrigerante) mediante la irradiancia solar. El tanque de almacenamiento, que generalmente es un cilindro metálico aislado, acumula el calor en materiales como agua, sales fundidas o materiales de cambio de fase. Las bombas impulsan el fluido entre los componentes, mientras que las válvulas regulan el caudal y la presión del fluido. El intercambiador de calor traslada el calor mediante el paso de un líquido al sistema de uso final, y el calentador auxiliar, eléctrico o de combustión, aumenta la temperatura del fluido en periodos de baja irradiancia solar, hasta alcanzar la temperatura requerida.
EL NÚCLEO DEL SISTEMA
El campo de colectores solares y el tanque de almacenamiento son el núcleo del SACS (López-Pérez y Huicochea, 2025). El campo de colectores solares puede ser de placa plana, tubos de vacío o concentradores (Figura 2). Los colectores de placa plana y tubos de vacío capturan la radiación solar para calentar un fluido (agua, aire o anticongelante) que circula por una placa absorbedora oscura. La ventaja principal de estos dispositivos es su alta eficiencia térmica de hasta un 80 %, debido a que convierten directamente la radiación solar en calor sin pérdidas por conversión energética intermedia. Estos colectores alcanzan temperaturas de hasta 150 °C, por lo que son utilizados para aplicaciones de baja y media temperatura como calefacción, agua caliente sanitaria y procesos industriales. Los concentradores solares utilizan espejos o lentes para concentrar los rayos solares en un área pequeña, generando temperaturas superiores a los 300 °C. Este calor intenso produce vapor para generar electricidad a gran escala, con eficiencias en la conversión a energía eléctrica que rondan entre el 30 % y el 40 % (dependiendo del diseño y la tecnología). Los concentradores solares requieren grandes extensiones de terreno y suelen emplearse en plantas de energía solar térmica.
El tanque de almacenamiento térmico es el componente que permite aprovechar el calor solar continuamente (Figura 1). Los materiales utilizados en este componente varían según el mecanismo de almacenamiento y el rango de temperatura (Tabla 1) (Khan et al., 2022). Para almacenar calor a temperaturas de hasta 100 °C, se utiliza agua y parafinas. Para temperaturas de hasta 300 °C, se utiliza hormigón y sales fundidas, como nitratos de sodio y potasio (NaNO3/KNO3). Para temperaturas de entre 200 y 500 °C, se utilizan materiales reactivos como hidróxido de calcio, zeolitas o silicagel. Finalmente, para temperaturas de hasta 800 °C, se utilizan sales ternarias (Li, Na, K) y aire comprimido.
APLICACIONES
Los SACS tienen una amplia variedad de aplicaciones, que van desde la calefacción de edificios de viviendas hasta la generación de electricidad con vapor sobrecalentado (Tabla 1). Para aplicaciones de agua caliente sanitaria, calefacción y climatización de piscinas, se utiliza agua almacenada en tanques convencionales o en acuíferos subterráneos, aprovechando su bajo costo, disponibilidad y pérdidas térmicas controladas. En sistemas de climatización y refrigeración solar se utilizan parafinas, sales hidratadas o metales eutécticos, ya que ofrecen mayor densidad energética. En procesos industriales, se emplean sales fundidas de baja pureza, cerámicos o hormigón, debido a que aportan estabilidad térmica y resistencia a ciclos repetidos. En plantas de energía solar por concentración, se requieren sales ternarias (Li, Na, K) o aire comprimido, capaces de alcanzar temperaturas elevadas. Finalmente, para el almacenamiento estacional o a largo plazo, se utilizan soluciones termoquímicas de hidróxido de calcio, zeolitas o silicagel, las cuales permiten altas densidades de energía con pérdidas mínimas.
Una aplicación real es la planta termosolar Gemasolar en Andalucía, Sevilla, España, destacada por su eficacia y operatividad de los SACS (Fritsch et al., 2019). Esta central termosolar utiliza una tecnología de receptor central en torre, generando 110 GWh anuales de energía eléctrica. Su campo solar tiene 2,650 heliostatos, que reflejan y dirigen la luz solar al tanque de almacenamiento, localizado en una torre a 140 metros de altura. Su sistema de almacenamiento térmico consiste en sales fundidas (60 % NaNO3, 40 % KNO3), y alcanzan temperaturas de hasta 565 °C. Esta configuración, con su sistema de control automatizado, logra hasta 18 horas de suministro eléctrico continuo sin radiación solar, abasteciendo a 27,500 hogares y evitando alrededor de 30,000 toneladas de emisiones de CO2 anuales. Sin embargo, la planta requirió una inversión de 419 millones de dólares, equivalente a 33 dólares por cada watt instalado.
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