Gestión de demanda eléctrica en una industria mediante la integración de almacenamiento térmico, bomba de calor y cogeneración

Abstract

Este proyecto plantea un sistema innovador para gestionar la demanda eléctrica industrial mediante la integración de una bomba de calor de alta temperatura, almacenamiento y un motor térmico en fase de descarga para generar electricidad. El objetivo es aprovechar tarifas valle del sector eléctrico para almacenar calor y reutilizarlo posteriormente como calor útil y electricidad. Durante la fase de carga, una bomba de calor alimentada con electricidad extrae energía de una corriente de calor residual industrial (20°C) y la transforma en calor útil, elevando una corriente externa de calor (de 130ºC a 220ºC) para uso como vapor de proceso. Simultáneamente, se calienta un sistema de almacenamiento basado en sales fundidas, que alcanza temperaturas de hasta 575 °C. En la fase de descarga, ese calor alimenta un ciclo termodinámico que genera electricidad para suministrar una industria y entregando excedentes a la red en caso de su existencia. El sistema ha sido modelado dimensionando todos sus componentes, obteniendo un COP superior a 1.4, y un rendimiento eléctrico del 33,64%. La generación de electricidad supone un LCOH de 50,64 $/MWh, una vez aplicado el factor de escala x3, gracias a que el coste de generación de vapor de 497,51 $ lo rebaja. Por último, se obtiene un VAN de casi 34 M$. El análisis económico confirma la viabilidad del sistema como sustituto limpio de otras tecnologías que pretenden la misma función mediante métodos contaminantes.

This project proposes an innovative system for managing industrial electrical demand through the integration of a high-temperature heat pump, thermal storage, and a thermal engine operating in discharge mode to generate electricity. The objective is to take advantage of off-peak electricity tariffs to store heat and reuse it later as both useful heat and electricity. During the charging phase, an electrically powered heat pump extracts energy from a residual industrial heat source (20 °C) and transforms it into useful heat, raising the temperature of an external heat stream from 130 °C to 220 °C for use as process steam. Simultaneously, a molten salt-based thermal storage system is heated, reaching temperatures of up to 575 °C. In the discharge phase, this stored heat feeds a thermodynamic cycle that generates electricity to supply an industrial facility, with the possibility of injecting surplus power into the grid when available. The system has been fully modeled, with all components dimensioned, achieving a coefficient of performance (COP) greater than 1.4 and an electrical efficiency of 33.64%. Electricity generation results in a Levelized Cost of Heat (LCOH) of 50.64 $/MWh, after applying a scale factor of 3, mainly due to the offset created by a steam generation cost of 497.51 $/MWh. Finally, a Net Present Value (NPV) close to 34 million USD is obtained. The economic analysis confirms the viability of the system as a clean alternative to other technologies that aim to fulfill the same function through more polluting methods.