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Oct 27, 2023

Polar Night Energy diseña una arena

Este artículo patrocinado es presentado por COMSOL. A medida que tratamos de objetivamente

Este artículo patrocinado es presentado por COMSOL.

Mientras tratamos de estudiar objetivamente la naturaleza, a menudo recordamos cómo las fuerzas naturales nos afectan personalmente. Podemos sentarnos en un escritorio y considerar el calor en sus diversas formas, ¡pero podríamos distraernos si nuestros dedos de los pies están fríos! Cuando subimos la calefacción en nuestros hogares y lugares de trabajo, debemos equilibrar nuestra necesidad personal de calor con el impacto global de la quema de combustibles fósiles como el petróleo, el gas, el carbón y la biomasa. El cambio climático antropogénico enfrenta a la humanidad con un desafío: ¿Cómo podemos mantenernos calientes ahora mientras tratamos de evitar que nuestro mundo se sobrecaliente en el futuro?

Es una pregunta abrumadora que una startup llamada Polar Night Energy, en la pequeña y fría nación de Finlandia (Figura 1), está tratando de responder. En una región conocida por sus largas y oscuras noches de invierno, Polar Night Energy está construyendo un sistema en la ciudad de Tampere que puede calentar edificios con energía solar almacenada durante todo el día, toda la noche y todo el invierno. Las aparentes contradicciones no terminan ahí. En una era de soluciones complejas de tecnología limpia, a menudo hechas de materiales raros y costosos, el sistema de distribución y almacenamiento de calor de Polar Night Energy consta de conductos simples, bombas, válvulas y arena. El novedoso sistema muestra potencial para abordar problemas globales de una manera paciente, reflexiva y a escala humana.

Figura 1. La nación de Finlandia, parte de la cual se encuentra por encima del Círculo Polar Ártico. Los sistemas de almacenamiento de calor de Polar Night Energy están actualmente instalados en las ciudades de Tampere y Kankaanpää.

Los grandes problemas exigen grandes soluciones, y quizás no haya mayor problema en el siglo XXI que el cambio climático. Para enfrentar este desafío, muchos gobiernos y organizaciones están invirtiendo en nuevas tecnologías para ayudar a disminuir el uso de combustibles fósiles. Estas iniciativas se han centrado en gran medida en la generación, distribución y almacenamiento de energía eléctrica renovable.

"Cuando le preguntas a la gente sobre energías más limpias, piensan en la electricidad", dice Tommi Eronen, director ejecutivo de Polar Night Energy. "Pero también tenemos que reducir las emisiones de la calefacción". De las emisiones relacionadas con la energía de Finlandia, el 82 por ciento proviene de la calefacción de edificios domésticos (Ref. 1). "Queremos reemplazar todo eso si queremos tener alguna esperanza de cumplir con nuestros objetivos climáticos globales", dice Eronen.

El espíritu de "Piense globalmente, actúe localmente", un mantra asociado con la década de 1960, vive con el equipo de innovadores de Polar Night Energy. Su viaje comenzó con una pregunta planteada por sus fundadores, Tommi Eronen y Markku Ylönen, cuando eran compañeros de clase en la universidad: "¿Es posible construir una comuna hippie energéticamente autosuficiente y rentable para ingenieros usando solo energía solar?" Después de graduarse, el proyecto al que llamaron en código "Hippie Commune" se convirtió en Polar Night Energy, con Eronen como director ejecutivo e Ylönen como director de tecnología.

Lo que comenzó como un proyecto estudiantil alegre (pero serio) condujo a una planta piloto de 3 MWh/100 kW en la ciudad finlandesa de Tampere, que comenzó a operar durante el invierno de 2020-2021. El sistema utiliza electricidad para calentar el aire, que luego circula a través de un intercambiador que calienta el agua y la distribuye a varios edificios en el distrito de Hiedanranta de la ciudad (Figura 2).

Figura 2. Un esquema de los componentes y el ciclo operativo del sistema Polar Night Energy.

Dentro del sistema, los elementos calefactores resistivos accionados eléctricamente calientan el aire a más de 600°C. El aire caliente circula a través de una red de tuberías dentro de un recipiente de almacenamiento de calor lleno de arena. Luego, el aire caliente fluye de regreso fuera del recipiente hacia un intercambiador de calor, donde calienta el agua que luego circula a través de los sistemas de calefacción del edificio. La capacidad de almacenamiento de calor de la arena asegura que incluso cuando los elementos resistivos están fríos, el aire circulante todavía está lo suficientemente caliente para mantener el agua (y los edificios) calientes.

"Solo tenemos tuberías, válvulas, un ventilador y un elemento calefactor eléctrico. ¡Aquí no hay nada especial!" Eronen dice, riendo.

Se cita al destacado ingeniero químico Donald Sadoway diciendo: "Si quieres hacer una batería muy barata, tienes que hacerlo con tierra". El sistema de Polar Night Energy enfrenta los mismos desafíos centrales que cualquier otra infraestructura energética. Debe entregar energía a las personas cuando la necesitan, donde la necesitan ya un precio manejable. Esto significa que almacenar y distribuir energía es tan importante como su generación. La infraestructura existente enfrenta estos desafíos de manera familiar. Para la calefacción basada en la combustión, los combustibles como el petróleo y el gas se almacenan y trasladan a donde se pueden quemar. La red eléctrica también apoya la distribución eficiente de energía y hace uso de la energía generada a través de medios renovables como la eólica y la solar. Sin embargo, la naturaleza intermitente de la luz del día y los fuertes vientos es un problema persistente. El almacenamiento de energía es necesario para mantener una producción de energía constante durante los picos y valles de las entradas renovables. Pero incluso con los avances recientes en la tecnología de baterías, el almacenamiento de energía eléctrica sigue siendo relativamente costoso, especialmente en la escala requerida para calentar edificios. ¿Qué pasaría si, en lugar de almacenar electricidad, una "batería" pudiera almacenar calor?

Figura 3. Markku Ylönen con una muestra representativa del medio de almacenamiento de calor muy barato de Polar Night Energy.

Muchos sistemas de calefacción convencionales ya almacenan y distribuyen calor mediante la retención y circulación de agua caliente. Eronen e Ylönen reconocieron los beneficios del almacenamiento de calor a base de agua, así como sus limitaciones. "Hay tanto calor que puedes agregar al agua antes de que se convierta en vapor", dice Eronen. "El vapor puede distribuir el calor de manera eficiente, pero no es realmente rentable para el almacenamiento a gran escala". Para evitar los inconvenientes de almacenar el calor en el agua, en su lugar lo convirtieron en arena: ¡42 toneladas métricas! (Figura 3) Después de que se pone el Sol, el calor almacenado en la arena se libera gradualmente al flujo de aire circulante. Esto mantiene el aire lo suficientemente caliente para mantener temperaturas constantes en el agua que fluye a través de los radiadores de los clientes. De esta manera, la arena permite que la energía solar mantenga a las personas calientes, incluso durante las noches más oscuras y frías de Finlandia. "La arena proporciona cuatro veces la capacidad de almacenamiento de energía del agua", dice Eronen. "¡La arena es eficiente, no tóxica, portátil y barata!"

"Necesitamos modelos predictivos para responder tantas preguntas como sea posible, antes de comprometernos a ensamblar todo este equipo, ¡y toda esta arena!"—Tommi Eronen, CEO de Polar Night Energy

La rentabilidad es la base de la propuesta de valor de Polar Night Energy. "Tan pronto como decidimos seguir con esta idea, estábamos tratando de averiguar cómo se veían las finanzas", dice Eronen. En su afán por hacer más con menos, Polar Night Energy ha dependido durante mucho tiempo de herramientas de simulación numérica. Eronen e Ylönen comenzaron a usar el software COMSOL Multiphysics como estudiantes y sigue siendo una parte integral de su proceso de diseño. Por ejemplo, Eronen menciona las especificaciones de un sistema de almacenamiento de calor ampliado que serviría a más edificios en Tampere. El equipo calculó que suministrar calor a un distrito de 35.000 personas requeriría un cilindro de almacenamiento lleno de arena de 25 metros de alto y 40 metros de diámetro. ¿Cómo llegaron a estas dimensiones? "La cantidad aproximada de material necesario es realmente fácil de calcular, porque sabemos cuánto calor podemos almacenar en un metro cúbico de arena", explica Eronen. "También tuvimos que determinar el espacio requerido para una transferencia de calor eficiente entre la arena y nuestro sistema de circulación de aire (Figura 4). ¡Eso es mucho más difícil de hacer! Usamos COMSOL para modelar y evaluar diferentes opciones de diseño".

Figura 4. Tommi Eronen (primer plano) e Ylönen inspeccionando los conductos de un recipiente de almacenamiento de calor de Polar Night Energy.

El software de simulación multifísica ayudó a dar forma al diseño del intercambiador de calor de Polar Night Energy (Figuras 5–6). Eronen dice: "Construimos un modelo particular para explorar una idea de diseño: ¿Qué pasa si creamos un núcleo de arena súper caliente rodeado de conductos de calefacción alrededor del perímetro?" Al modelar los efectos del flujo de fluidos y la transferencia de calor en el software COMSOL Multiphysics, el equipo de Polar Night Energy pudo cuantificar las ventajas y desventajas comparativas de su diseño. "La simulación confirmó que el diseño de 'núcleo caliente' era bueno para almacenar calor durante largos períodos de tiempo", dice Eronen. "Pero para nuestro ciclo operativo previsto, tiene más sentido distribuir uniformemente los conductos de aire caliente en todo el recipiente de almacenamiento de arena", explica.

Figura 5. Imágenes de simulación que muestran cambios de temperatura dentro de un diseño propuesto de recipiente de almacenamiento de calor de arena y aire durante un período de 100 horas.

Figura 6. Imagen de simulación de efectos de convección natural a través de ductos dentro del recipiente de almacenamiento de arena.

La gran escala del sistema de almacenamiento de calor basado en arena de Polar Night Energy hace que el software de simulación sea indispensable. "No podemos construir prototipos de tamaño completo para probar todas nuestras ideas. Necesitamos modelos predictivos para responder a tantas preguntas como sea posible, antes de comprometernos a ensamblar todo este equipo, ¡y toda esta arena!" dice Eronen. "Es esencial para nosotros usar estas herramientas inmensamente poderosas".

Al separar la tarea de almacenamiento de calor de la generación y distribución de calor, Polar Night Energy ha hecho que su sistema sea más eficiente y adaptable. Existe un gran potencial para adaptar sus sistemas de almacenamiento y transferencia de calor llenos de arena a la infraestructura existente (Figura 7). Tampere, una ciudad industrial del interior de Finlandia de casi 250.000 habitantes, es un campo de pruebas ideal para esta nueva tecnología. "Tampere, como muchas ciudades europeas, ya tiene un sistema de calefacción urbana que hace circular el agua por barrios enteros", dice Eronen. "Eso nos permite cambiar rápidamente muchos edificios a una fuente de calor renovable", dice. La planta piloto de Polar Night Energy en Tampere también puede aprovechar la energía de la red eléctrica existente, junto con la electricidad generada por nuevos paneles solares. El almacenamiento térmico confiable permite que la ciudad genere o compre energía cuando sea más asequible y luego distribuya el calor cuando más se necesite.

Figura 7. Parte del sistema de transferencia de calor instalado por Polar Night Energy en Tampere, Finlandia. Los tubos verticales de la izquierda son parte del intercambiador de calor, mientras que los elementos del calentador resistivo están envueltos en aislamiento blanco a la derecha. Entre estos componentes se encuentra el ventilador radial de circulación de aire.

Desde que el sistema de Tampere comenzó a funcionar durante el invierno de 2020-2021, el equipo de Polar Night Energy ha estado recopilando datos para compararlos con sus modelos. "Nuestras simulaciones han demostrado ser muy precisas, lo cual es alentador", dice Eronen. Y a medida que el equipo de Polar Night Energy continúa desarrollando sus ideas a nivel local, su objetivo es actuar también a nivel mundial. La misma tecnología que calienta las largas y frías noches de Finlandia también puede brindar mejores opciones de administración de energía al resto del mundo. El almacenamiento térmico asequible podría ayudar a las industrias y ciudades a capturar el calor que actualmente se desperdicia, así como a equilibrar las inconsistencias en la producción de energía eólica y solar. Pero si bien Polar Night Energy está ansioso por trabajar directamente con clientes potenciales, se dan cuenta de que los desafíos que se avecinan son demasiado grandes para que los enfrenten solos.

Tommi Eronen, CEO de Polar Night Energy.

"Queremos licenciar esta tecnología. Si opera una planta de energía, contáctenos", dice Eronen riendo. En una nota más seria, agrega: "Tenemos que alejarnos de todo tipo de combustión, incluso de biomasa. Necesitamos proteger y restaurar los bosques para que puedan seguir eliminando carbono del aire. Debido a que el cambio climático está ocurriendo tan rápido, debemos queremos que nuestras ideas se propaguen lo más rápido posible".

Estadísticas de Finlandia, "Más de la mitad de la electricidad de Finlandia se produjo con fuentes de energía renovables en 2020", noviembre de 2021.