Optimización multiobjetivo del almacenamiento térmico basado en hielo para mejorar el rendimiento de plantas de ciclo combinado en condiciones de clima cálido

Mantener fuertes las centrales eléctricas en calor abrasador

Cuando llegan las olas de calor veraniegas, nuestra demanda de electricidad se dispara justo cuando muchas plantas térmicas a gas pierden rendimiento. El aire caliente reduce la densidad, por lo que las turbinas son menos eficientes y generan menos potencia precisamente cuando más se necesita. Este trabajo explora una solución ingeniosa: usar hielo producido durante la noche para enfriar el aire que entra en las turbinas durante el día, aumentando la producción, reduciendo el consumo de combustible y aliviando la carga en las redes eléctricas de regiones cálidas.

Por qué el aire caliente debilita la producción eléctrica

Las turbinas de gas funcionan aspirando aire exterior, comprimiéndolo, mezclándolo con combustible y quemando la mezcla para accionar una turbina. El problema clave es que el aire caliente es menos denso que el aire frío. En días muy calurosos, la turbina toma menos moléculas de aire y debe gastar más energía en comprimirlas. Eso se traduce en menos potencia útil en el eje y en mayor consumo de combustible por unidad de electricidad. En climas cálidos, esta caída estacional puede ser tan grande que plantas costosas no pueden suministrar su capacidad nominal gran parte del año, justo cuando los aires acondicionados impulsan la demanda a niveles récord.

Almacenar frío como hielo para usarlo cuando cuenta

El estudio se centra en un sistema de “almacenamiento térmico con hielo” diseñado para contrarrestar esta penalización por calor. Durante las horas nocturnas, más frescas y con menor demanda, una unidad de refrigeración congela agua en un gran depósito aislado. Una mezcla de agua enfriada y glicol circula luego entre el depósito y un enfriador de aire situado frente al compresor de la turbina de gas. Durante las horas punta diurnas, este circuito frío enfría el aire entrante acercándolo a condiciones estándar, haciéndolo más denso y más fácil de comprimir. En efecto, la planta traslada parte de su esfuerzo de refrigeración a la noche, cuando la electricidad es más barata y la demanda menor, y “gasta” el frío almacenado durante el día para obtener más potencia de la misma turbina.

Equilibrar eficiencia, coste y contaminación

Puesto que un sistema así añade equipos y complejidad, los autores no solo verifican si funciona; examinan qué tan bien funciona, cuánto cuesta y cómo afecta a las emisiones. Construyen un modelo termodinámico detallado que rastrea dónde se pierde energía útil en componentes como el compresor, el combustor, la turbina, el depósito de hielo, el evaporador, el condensador y la torre de enfriamiento. Combinan esto con fórmulas económicas para el coste de equipos, precios de combustible y electricidad y mantenimiento, y con estimaciones de los costes por daños del dióxido de carbono y otros contaminantes. Usando un algoritmo genético—un método de optimización inspirado en la selección natural—buscan ajustes de diseño que aumenten simultáneamente la eficiencia global y reduzcan el coste horario total, en lugar de centrarse en un único objetivo.

Qué pueden ofrecer los diseños optimizados

El análisis cubre turbinas de gas de entre 25 y 100 megavatios, tamaños habituales en plantas de ciclo combinado. Para cada tamaño, el algoritmo ajusta decisiones clave como la presión en el compresor, la temperatura de entrada a la turbina y las temperaturas de operación del sistema de refrigeración y del depósito de hielo. Los resultados muestran que, bajo las condiciones cálidas estudiadas para Teherán, enfriar el aire de entrada con hielo almacenado puede aumentar la potencia de la turbina aproximadamente entre un 4% y un 25%, con las unidades más grandes experimentando las mayores ganancias porcentuales. Al mismo tiempo, dado que se genera más electricidad con el mismo flujo de combustible, el consumo de combustible por kilovatio-hora disminuye y las emisiones de contaminantes caen. El estudio estima que la inversión adicional en almacenamiento de hielo y equipos de refrigeración puede recuperarse en unos 4,5 a poco más de 8 años, según el tamaño de la unidad y el patrón operativo, dentro de una vida económica típica de 15 años.

Límites, cuestiones prácticas y encaje en el mundo real

Los autores también consideran restricciones del mundo real. Los grandes depósitos de hielo pueden requerir miles de metros cúbicos de espacio, difícil de encontrar en plantas existentes y congestionadas. La torre de enfriamiento necesaria para evacuar calor a la atmósfera necesita agua adicional, una preocupación en regiones áridas. Y operar la unidad de refrigeración, el depósito y el enfriador de aire como un sistema coordinado exige controles más avanzados que una refrigeración directa simple. Incluso con estas salvedades, las pruebas de sensibilidad—donde se varían supuestos sobre pérdidas de calor, temperatura de almacenamiento y envejecimiento de equipos—muestran que los beneficios siguen siendo sustanciales, con ganancias de potencia que se mantienen por encima del 20% y tiempos de amortización por debajo de unos seis años para una turbina de 100 megavatios.

Qué significa esto para los usuarios de electricidad

Para el público no especializado, la conclusión es directa: en climas muy cálidos, las centrales pueden usar hielo fabricado por la noche para mantenerse más potentes durante el día. Al producir y almacenar frío con antelación, los operadores pueden aumentar la producción cuando la red está sometida a estrés, sin construir unidades generadoras completamente nuevas. Este enfoque puede proporcionar más electricidad, reducir el consumo de combustible por unidad de potencia y disminuir las emisiones, todo ello con periodos de retorno de la inversión que encajan dentro de la vida útil de una planta. Aunque no es una solución universal—el espacio, el agua y la complejidad importan—ofrece una herramienta prometedora para mantener las luces y los aires acondicionados funcionando de forma fiable en las regiones más calurosas del planeta.

Cita: Azmoun, M., Jooneghani, H.D., Salehi, G. et al. Multi-objective optimization of ice-based thermal storage for enhanced combined cycle power plant performance under hot climate conditions. Sci Rep 16, 7149 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37942-9

Palabras clave: almacenamiento térmico con hielo, enfriamiento de la entrada de la turbina de gas, plantas de ciclo combinado, generación eléctrica en climas cálidos, análisis de eficiencia energética y exergía