Fritz Marguerre patentó el concepto de esta tecnología hace 100 años [3] , pero su desarrollo se ha revitalizado recientemente, dado el aumento del uso de energías renovables y la necesidad de aumentar la energía total recuperada de dichas fuentes. En este contexto, Andre Thess acuñó el término "batería de Carnot" en 2018, antes del primer Taller Internacional sobre Baterías de Carnot [4] .
El término "batería de Carnot" se deriva del teorema de Carnot , que describe la máxima eficiencia de conversión de energía térmica en energía mecánica . La palabra "batería" indica que el propósito de esta tecnología es almacenar electricidad. La eficiencia de descarga de las baterías de Carnot está limitada por la eficiencia de Carnot . El concepto de baterías de Carnot abarca tecnologías como el almacenamiento de energía térmica bombeada y el almacenamiento de energía de aire líquido . [5] [6]
Fondo
En la transición hacia sistemas energéticos bajos en carbono, aumenta la penetración de energía renovable variable en los sistemas de energía eléctrica, y esto también aumenta la necesidad de almacenamiento de energía . Actualmente, la mayor parte de la nueva capacidad de almacenamiento de energía instalada proviene de baterías electroquímicas , como las baterías de iones de litio. Este tipo de batería es adecuada para el almacenamiento a corto plazo, pero puede no ser económica para duraciones más largas debido a sus altos costos de capacidad energética. [7]
El almacenamiento de energía térmica puede almacenar energía en materiales económicos, como agua, rocas y sales. Por lo tanto, el costo para sistemas a gran escala (por ejemplo, gigavatios hora) puede ser menor que el costo de las baterías electroquímicas. [8]
El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Stuttgart han estado trabajando en el concepto de baterías Carnot que almacenan electricidad en un almacenamiento de calor de alta temperatura desde 2014. [8]
En 2018, el nombre "batería Carnot" se utilizó en la Hannover Messe , [9] una de las ferias comerciales más grandes del mundo, por DLR. [8]
Configuración del sistema
Posibles tecnologías de conversión y almacenamiento de energía
Un sistema de batería de Carnot se puede dividir en tres partes: Potencia a Térmica (P2T), Almacenamiento de Energía Térmica (TES) y Térmica a Potencia (T2P).
Tecnología de electricidad para calentar
La electricidad se puede convertir en calor mediante el uso de diversas tecnologías. [1]
Las bombas de calor son la tecnología que permite bombear calor desde un depósito de menor temperatura a uno de mayor temperatura. Se pueden dividir en dos grupos: el ciclo Rankine inverso y el ciclo Brayton inverso .
El ciclo Rankine inverso se ha utilizado ampliamente en bombas de calor convencionales.
El concepto de utilizar el ciclo Brayton para cargar y descargar energía térmica fue propuesto por el profesor Robert B. Laughlin en 2017. [10]
Otros: En los sistemas de almacenamiento de energía de aire líquido, se utiliza el ciclo de Claude para licuar el aire. El proceso de Lamm-Honigmann utiliza ciclos termoquímicos para convertir la energía en calor. [11]
Almacenamiento de energía térmica
Según el mecanismo de almacenamiento de calor, el almacenamiento de energía térmica se puede dividir en tres tipos: almacenamiento de calor sensible , almacenamiento de calor latente y almacenamiento termoquímico. Los materiales de almacenamiento que se han utilizado para las baterías de Carnot son:
Materiales termoquímicos (pares de sustancias químicas), como LiBr/H 2 O y H 2 O/NH 3 [11]
Calor a electricidad
El calor se puede convertir en energía mediante ciclos termodinámicos, como el ciclo Rankine o el ciclo Brayton. Algunas tecnologías utilizan la propiedad de los materiales semiconductores para convertir el calor en electricidad, y no se consideran baterías de Carnot porque no hay ciclos termodinámicos involucrados en el proceso de conversión, como los materiales termoeléctricos y el "Sol en una caja". [13] Las tecnologías típicas son:
El proceso Lamm-Honigmann puede convertir la energía almacenada en el almacenamiento termoquímico en electricidad. [11]
Ventajas y desventajas
La batería de Carnot se conoce con otros nombres, como almacenamiento de electricidad térmica bombeada (PTES) o almacenamiento de electricidad térmica bombeada (PHES). [15] Esta tecnología relativamente nueva se ha convertido en una de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala más prometedoras.
Las principales ventajas de la batería de Carnot son: [16]
Libre elección del sitio;
Pequeña huella ambiental;
Esperanza de vida de 20 a 30 años;
Capacidad de respaldo opcional de bajo costo;
Los componentes de una central eléctrica alimentada con combustibles fósiles infrautilizada se pueden reutilizar parcialmente para construir la unidad de baterías Carnot;
El principal inconveniente de esta tecnología es: [17]
La limitada eficiencia de ida y vuelta 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, que relaciona la electricidad 𝑾𝒅𝒊𝒔 entregada durante la descarga con la electricidad 𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓 necesaria para cargar el sistema. Las baterías de Carnot generalmente apuntan a un rango de eficiencia del 40-70%, significativamente menor que la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (65-85%). [18]
Solicitud
Las baterías de Carnot se pueden utilizar como almacenamiento de energía de red para almacenar el exceso de energía procedente de fuentes de energía renovables variables y producir electricidad cuando sea necesario.
Algunos sistemas de baterías de Carnot pueden utilizar el calor o el frío almacenados para otras aplicaciones, como calefacción y refrigeración urbanas para centros de datos .
Las baterías de Carnot se han propuesto como una solución para convertir las centrales eléctricas de carbón existentes en un sistema de generación libre de combustibles fósiles mediante la sustitución de la caldera alimentada con carbón. [19] [20] Se pueden utilizar las instalaciones existentes en las centrales eléctricas, como los sistemas de generación de energía y los sistemas de transmisión.
Lista de proyectos de baterías de Carnot
Aunque el término batería de Carnot es nuevo, muchas tecnologías existentes pueden clasificarse como baterías de Carnot. [7]
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^ W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer y M. Johnson, «Almacenamiento de energía térmica bombeada (PTES) como tecnología inteligente de acoplamiento sectorial para calor y electricidad», Energy, vol. 183, p. 185‑190, sept. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.
^ WD Steinmann, « El concepto CHEST (Compressed Heat Energy STorage) para el almacenamiento de energía termomecánica a escala de instalaciones », Energy, vol. 69, p. 543‑552, mayo de 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.
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^ Susan Kraemer (16 de abril de 2019). "Fabricación de baterías Carnot con almacenamiento de energía térmica en sales fundidas en antiguas centrales de carbón". SolarPACES.
^ "Webinar sobre baterías Carnot" (PDF) . ATA insights. Abril 2019 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ Olivier Dumont; Vincent Lemort (septiembre de 2020). «Primeros resultados experimentales de una batería de Carnot integrada térmicamente mediante una bomba de calor reversible/ciclo Rankine orgánico». Conferencia: 2nd International Workshop on Carnot Batteries 2020. Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ "sitio web del proyecto". TU Berlin. Archivado desde el original el 15 de abril de 2021 . Consultado el 15 de abril de 2021 .
Enlaces externos
2º Taller internacional sobre baterías de Carnot, Universidad de Stuttgart, 15 y 16 de septiembre de 2020 Archivado 2020-10-21 en Wayback Machine
Taller internacional sobre baterías Carnot, Stuttgart, Alemania, 9 y 10 de octubre de 2018
