El invento andaluz para tener baterías baratas y ecológicas que funcionan con agua y aire

El avance de las energías renovables en España parece imparable. Sin ir más lejos, el pasado 2 de noviembre, la fotovoltaica y la eólica cubrieron el 73,3% de la generación eléctrica de nuestro país, según datos de Red Eléctrica Española, alcanzando el récord absoluto hasta la fecha. Y es algo cada vez más habitual, ya que el anterior se había alcanzado el 20 de octubre, con un 70,5%. Esos datos han permitido un descenso considerable en el precio de la energía, pero las renovables siguen planteando un problema fundamental: un almacenamiento que permita su aprovechamiento óptimo.

Aunque hay momentos del día en los que el excedente de las renovables lleva a la energía a precios mínimos, la imposibilidad de almacenar ese sobrante limita el efecto a largo plazo en la factura de la luz, que sigue sujeta a pronunciados picos y valles. Por otro lado, las baterías siguen dependiendo de tierras raras y productos químicos perjudiciales para el medioambiente, por lo que se necesitan nuevas tecnologías de almacenamiento diseñadas específicamente para las renovables que, además de ser eficientes, no contribuyan al deterioro del medioambiente.

En esa dirección, cuatro investigadores de la Universidad de Córdoba (UCO) acaban de presentar un estudio en el que demuestran la viabilidad de un innovador sistema de almacenamiento de energía que sólo utiliza agua y aire para funcionar y permitiría adecuar la carga y descarga de energía a la situación del mercado. 

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"En el futuro la mayor parte de la energía será renovable, pero antes tenemos que solucionar el problema de gestionabilidad, algo que sí tienen los combustibles fósiles. El reto que pretendemos solucionar es que el almacenamiento que convierta las renovables en gestionables sea también sostenible a nivel medioambiental", explica a EL ESPAÑOL - Omicrono José Luis Aranda, responsable de la idea inicial del dispositivo y uno de los cuatro autores del artículo publicado en la revista científica Energy. 

Momento eureka

Esta historia, como tantas otras en el terreno científico, empieza con un momento eureka. "Fue uno de esos días en los que uno está en casa, llueve fuera, la mente no para de dar vueltas... y ahí se me encendió la bombilla", recuerda Aranda. "Ahí surgió la primera idea de un nuevo modelo de almacenamiento energético sostenible que tuviera la energía renovable como base. Aunando todo eso se me ocurrió un dispositivo, lo dibujé en un papel, lo registré para proteger la propiedad intelectual y lo compartí con mis compañeros de la Universidad de Córdoba para comprobar si tenía sentido físico y matemático".

Torre de toma del embalse de Puentes Viejas (Madrid) Jacinta Lluch / Flickr Omicrono

Así se unieron con un mismo objetivo el propio Aranda, Antonio Martín Alcántara, Alberto Jiménez y Antonio Sarsa, miembros de los departamentos de Ingeniería Mecánica, Ingeniería Eléctrica y Automática, y Física de la UCO. El concepto parte del principio de la presión hidrostática gracias a un tanque cilíndrico sumergido en una gran masa de agua, ya sea en un embalse o directamente en el mar. 

De hecho, el modelo final publicado en el artículo es una adaptación del concepto de columna de agua oscilante (OWC, por sus siglas en inglés), que se utiliza desde hace años en lugares como la planta de energía undimotriz de Mutriku, en el País Vasco, capaz de producir hasta 970 MWh al año gracias a las olas del mar. Pues bien, los ingenieros cordobeses han planteado una inversión completa de su funcionamiento, y por eso han denominado a este dispositivo iOWC (inverted oscillating water column).

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"El aparato es básicamente un cilindro sumergido en agua con un disco que, como si fuera un émbolo, separa un depósito situado en la parte superior, que sería el del agua, y otro depósito en la parte inferior, que sería el del aire", explica Antonio Martín Alcántara, especialista en modelización matemática y simulación numérica. "Lo que hacemos es aprovechar que el aire es un gas compresible para que, con el peso del agua, se comprima y mueva una turbina".

Cuando el dispositivo está cargado, el disco se sitúa en la parte superior, casi sin agua, mientras toda la cámara inferior está llena de aire. "Si nosotros tenemos un pico de demanda y el precio de la energía en esa hora es caro, pasaríamos a hacer la descarga. Eso implicaría dejar libre ese disco y, automáticamente, el agua empezaría a llenar la parte superior del cilindro". Así, la columna de agua se va haciendo cada vez más grande y va comprimiendo el aire según desciende el disco.

Central Undimotriz de Mutriku Udri / Flickr Omicrono

El elemento decisivo del diseño del iOWC se encuentra en la parte inferior. Se trata de un orificio para que el aire vaya saliendo a la velocidad del sonido, "una forma de mantener estable esa salida de aire y que simule que al final del proceso habría una turbina en funcionamiento". Eso implicaría conseguir una descarga de energía constante hasta que se agote por completo el aire de la cámara inferior..

Para el proceso de carga, se espera a que haya una hora valle en el precio de la energía, momento en el que se eleva el émbolo. "Se podría usar un motor eléctrico alimentado con energías renovables que tirase del disco para subirlo con todo el peso de la columna de agua que tiene encima".

Del modelo al prototipo

La investigación de momento se limita a un diseño preliminar y a fórmulas matemáticas que demuestran su viabilidad y escalabilidad, pero queda un largo camino hasta que puedan fabricar un prototipo para ponerlo a prueba. Sin embargo, los resultados obtenidos sí que permiten conocer cómo respondería el sistema e identifica las condiciones de diseño más adecuadas para su funcionamiento óptimo, teniendo en cuenta la relación de aspecto y el tamaño del orificio de salida del aire.

Según los cálculos de los investigadores, el dispositivo resultante tendría que tener 16 veces la altura del tamaño de su diámetro. Es decir, si tuviera un metro de diámetro, implicaría una altura de 16 metros. En cuanto al orificio de salida para conseguir las condiciones de velocidad del sonido, tendría que ser equivalente a 0,04 veces el diámetro del tubo.

Esquema del iOWC Antonio Martín Alcántara Omicrono

En teoría, cuanto más grande sea el dispositivo, más cantidad de energía podría almacenar, pero también contemplan la opción de instalar varias unidades en un mismo lugar, una suerte de granjas de baterías localizadas en embalses o cerca de la costa, para aprovechar esas grandes masas de agua.

Esta estimación sirve, por ejemplo, para calcular que serían necesarios 9 iOWC con un diámetro de unos 2,5 metros y una altura de unos 40 metros
cada uno para almacenar 1 MWh. "Esa energía sería lo que consumirían unos 100 hogares durante las 5 horas entre la caída del sol hasta la noche", señala Martín Alcántara.

Sin embargo, hasta poder instalar los iOWC en entornos reales hacen falta mucha más investigación y pasar de la idea y los cálculos a un prototipo viable. "Lo que nos gustaría a continuación es poder escalarlo y llevarlo a laboratorio", explica Aranda. "A largo plazo sí que creemos que podría convertirse en una realidad en la industria, una solución más de almacenamiento complementaria a otras ya existentes", concluye. 

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