Dynamic modeling of packed-bed thermal energy storage systems for renewable energies applications

Abstract

[ES]La rápida expansión de las energías renovables, especialmente la eólica y la solar, ha transformado los sistemas eléctricos modernos, pero también ha introducido desafíos asociados a la intermitencia, la variabilidad y la estabilidad de la red. A medida que aumenta la penetración de generación renovable, el desarrollo de tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala se vuelve esencial para garantizar la fiabilidad y resiliencia del sistema eléctrico. El almacenamiento energético permite equilibrar la oferta y la demanda, reducir picos de carga, desplazar energía en el tiempo y minimizar el vertido de generación renovable. En este contexto, el almacenamiento de energía térmica (TES) emerge como una solución prometedora para aplicaciones de media y larga duración debido a su escalabilidad, larga vida útil y bajo coste potencial. Entre las distintas tecnologías de TES, los sistemas de almacenamiento térmico de lecho empacado (packed-bed) destacan por su simplicidad estructural, robustez mecánica y flexibilidad en cuanto a temperaturas de operación y materiales de almacenamiento. Estos sistemas almacenan energía mediante el intercambio de calor entre un fluido de transferencia térmica y un medio sólido poroso que actúa como reservorio térmico. Gracias a estas características, pueden integrarse en diversos sistemas de conversión y almacenamiento energético, como plantas solares de concentración (CSP), sistemas de almacenamiento mediante compresión adiabática de aire (ACAES) y sistemas de almacenamiento térmico por bombeo (PTES). Esta tesis doctoral investiga los sistemas de almacenamiento térmico de lecho empacado y su aplicación a tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala, con especial énfasis en los conceptos ACAES y PTES. El trabajo combina modelado físico, simulación dinámica y optimización tecnoeconómica para evaluar el rendimiento, la eficiencia y la viabilidad económica de estos sistemas bajo condiciones operativas realistas. Una parte significativa del estudio se centra en el modelado de los sistemas de almacenamiento térmico de lecho empacado, analizando los principales mecanismos de transferencia de calor, como el intercambio convectivo entre fluido y sólido, la conducción térmica, las pérdidas térmicas y los efectos de caída de presión. Se desarrollan modelos con distintos niveles de complejidad, desde formulaciones simplificadas para estudios a nivel de sistema hasta modelos más detallados que consideran no equilibrio térmico local y propiedades dependientes de la temperatura. Asimismo, se analizan materiales de almacenamiento basados tanto en calor sensible como en calor latente, y los modelos se validan mediante comparación con datos experimentales disponibles en la literatura. La siguiente contribución central de la tesis es el análisis de sistemas de almacenamiento de energía mediante compresión adiabática de aire acoplados con almacenamiento térmico de lecho empacado. A diferencia de los sistemas CAES convencionales, que rechazan el calor generado durante la compresión, los sistemas ACAES almacenan este calor para reutilizarlo durante la expansión, lo que permite mejorar la eficiencia del ciclo. En este trabajo se analiza una configuración de planta con compresión y expansión en dos etapas y unidades de almacenamiento térmico de lecho empacado que emplean materiales de calor sensible o latente. Se desarrolla un modelo termodinámico dinámico de la planta y se realiza una optimización termo-económica multiobjetivo mediante el algoritmo genético NSGA-II para minimizar simultáneamente el coste nivelado del almacenamiento (LCoS) y la inversión total (CAPEX). Los resultados indican que pueden alcanzarse valores de LCoS cercanos a 80 €/MWh para una planta con aproximadamente 600 MWh de capacidad de almacenamiento y 200 MW de potencia nominal. En el contexto actual del precio variable de la electricidad en España (2025), se concluye que una planta de este tipo, con una inversión inicial de 115 millones de € puede amortizarse en un período de 9 a 15 años. Finalmente, la tesis analiza la aplicación del almacenamiento térmico de lecho empacado en sistemas de almacenamiento térmico por bombeo (PTES), una tecnología emergente que almacena electricidad en forma de energía térmica mediante un ciclo termodinámico reversible. Durante la carga, la electricidad impulsa una bomba de calor que transfiere calor desde un reservorio frío hacia un almacenamiento térmico caliente; durante la descarga, el sistema opera como un motor térmico que convierte nuevamente la energía térmica en electricidad. El análisis, basado en un ciclo Brayton dentro del marco de la termodinámica de tiempo finito, identifica regiones de operación viables y predice eficiencias de ciclo completo cercanas o superiores a 0,4 bajo condiciones favorables. En conjunto, los resultados demuestran que los sistemas de almacenamiento térmico de lecho empacado constituyen una solución robusta y versátil para aplicaciones de almacenamiento energético a gran escala. Su integración en sistemas ACAES y PTES permite alcanzar eficiencias competitivas y elevada flexibilidad operativa utilizando materiales abundantes y sin restricciones geográficas significativas, contribuyendo así al desarrollo de sistemas energéticos con alta penetración de energías renovables.