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El almacenamiento de energía térmica ( TES ) es el almacenamiento de energía térmica para su posterior reutilización. Mediante el uso de tecnologías muy diferentes, permite almacenar el excedente de energía térmica durante horas, días o meses. La escala tanto del almacenamiento como del uso varía de pequeña a grande, desde procesos individuales hasta distritos, ciudades o regiones. Algunos ejemplos de uso son el equilibrio de la demanda energética entre el día y la noche, el almacenamiento del calor del verano para la calefacción en invierno o el frío del invierno para la refrigeración en verano ( Almacenamiento de energía térmica estacional ). Los medios de almacenamiento incluyen tanques de agua o de hielo, masas de tierra nativa o lecho de roca a las que se accede con intercambiadores de calor mediante pozos, acuíferos profundos contenidos entre estratos impermeables; pozos poco profundos revestidos llenos de grava y agua y aislados en la parte superior, así como soluciones eutécticas y materiales de cambio de fase . [4]
Otras fuentes de energía térmica para almacenamiento incluyen el calor o el frío producidos con bombas de calor a partir de energía eléctrica de bajo costo en horas de menor demanda (una práctica llamada reducción de picos de demanda ); el calor de las plantas de energía combinada de calor y electricidad (CHP); el calor producido por energía eléctrica renovable que excede la demanda de la red y el calor residual de los procesos industriales. El almacenamiento de calor, tanto estacional como a corto plazo, se considera un medio importante para equilibrar de manera económica las altas proporciones de producción de electricidad renovable variable y la integración de los sectores de la electricidad y la calefacción en sistemas energéticos alimentados casi o completamente por energía renovable. [5] [6] [7] [8]
Los distintos tipos de almacenamiento de energía térmica se pueden dividir en tres categorías distintas: calor sensible, calor latente y almacenamiento de calor termoquímico. Cada uno de ellos tiene diferentes ventajas y desventajas que determinan sus aplicaciones.
El almacenamiento de calor sensible (SHS) es el método más sencillo. Simplemente significa que se aumenta o disminuye la temperatura de algún medio. Este tipo de almacenamiento es el más disponible comercialmente de los tres; las otras técnicas están menos desarrolladas.
Los materiales son generalmente económicos y seguros. Una de las opciones más baratas y más utilizadas es un tanque de agua, pero materiales como sales fundidas o metales pueden calentarse a temperaturas más altas y, por lo tanto, ofrecen una mayor capacidad de almacenamiento. La energía también se puede almacenar bajo tierra (UTES), ya sea en un tanque subterráneo o en algún tipo de fluido de transferencia de calor (HTF) que fluye a través de un sistema de tuberías, ya sea colocadas verticalmente en forma de U (perforaciones) u horizontalmente en zanjas. Otro sistema es conocido como unidad de almacenamiento de lecho empacado (o lecho de guijarros), en el que un poco de fluido, generalmente aire, fluye a través de un lecho de material suelto (generalmente roca, guijarros o ladrillos cerámicos) para agregar o extraer calor.
Una desventaja del SHS es su dependencia de las propiedades del medio de almacenamiento. Las capacidades de almacenamiento están limitadas por la capacidad calorífica específica del material de almacenamiento, y el sistema debe estar diseñado adecuadamente para garantizar la extracción de energía a una temperatura constante. [9]
El calor sensible de la sal fundida también se utiliza para almacenar energía solar a alta temperatura, [10] denominada tecnología de sal fundida o almacenamiento de energía de sal fundida (MSES). Las sales fundidas se pueden emplear como un método de almacenamiento de energía térmica para retener energía térmica. Actualmente, esta es una tecnología utilizada comercialmente para almacenar el calor recolectado por energía solar concentrada (por ejemplo, de una torre solar o canal solar ). El calor se puede convertir posteriormente en vapor sobrecalentado para alimentar turbinas de vapor convencionales y generar electricidad en un momento posterior. Se demostró en el proyecto Solar Two de 1995 a 1999. Las estimaciones en 2006 predijeron una eficiencia anual del 99%, una referencia a la energía retenida al almacenar calor antes de convertirlo en electricidad, en comparación con la conversión de calor directamente en electricidad. [11] [12] [13] Se utilizan varias mezclas eutécticas de diferentes sales (por ejemplo, nitrato de sodio , nitrato de potasio y nitrato de calcio ). Existe experiencia con estos sistemas en aplicaciones no solares en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor.
La sal se funde a 131 °C (268 °F). Se mantiene líquida a 288 °C (550 °F) en un tanque de almacenamiento "frío" aislado. La sal líquida se bombea a través de paneles en un colector solar donde el sol concentrado la calienta a 566 °C (1051 °F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Con un aislamiento adecuado del tanque, la energía térmica se puede almacenar de manera útil durante hasta una semana. [14] Cuando se necesita electricidad, la sal fundida caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para impulsar un grupo electrógeno/turbina convencional como el que se usa en cualquier planta de energía de carbón, petróleo o nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de alto y 24 metros (79 pies) de diámetro para impulsarla durante cuatro horas con este diseño.
Se está desarrollando un tanque único con una placa divisoria para separar la sal fundida fría y caliente. [15] Es más económico porque logra un 100% más de almacenamiento de calor por unidad de volumen que el sistema de tanques dobles, ya que el tanque de almacenamiento de sal fundida es costoso debido a su construcción complicada. Los materiales de cambio de fase (PCM) también se utilizan en el almacenamiento de energía con sal fundida, [16] mientras que la investigación para obtener PCM estabilizados en forma utilizando matrices de alta porosidad está en curso. [17]
La mayoría de las plantas de energía solar térmica utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La central eléctrica Solana en Estados Unidos puede almacenar 6 horas de capacidad de generación en sales fundidas. Durante el verano de 2013, la planta solar de torre/sal fundida Gemasolar Thermosolar en España logró un hito al producir electricidad de forma continua las 24 horas del día durante 36 días. [18] La planta solar térmica Cerro Dominador , inaugurada en junio de 2021, tiene 17,5 horas de almacenamiento de calor. [19]
Un acumulador de vapor consiste en un tanque de presión de acero aislado que contiene agua caliente y vapor bajo presión. Como dispositivo de almacenamiento de calor, se utiliza para mediar la producción de calor mediante una fuente variable o constante a partir de una demanda variable de calor. Los acumuladores de vapor pueden adquirir importancia para el almacenamiento de energía en proyectos de energía solar térmica .
En los países nórdicos se utilizan ampliamente grandes depósitos, en su mayoría tanques de almacenamiento de agua caliente, para almacenar calor durante varios días, para desacoplar la producción de calor y energía y para ayudar a satisfacer las demandas máximas. Algunas ciudades utilizan estanques aislados calentados con energía solar como fuente de calor para bombas de calefacción urbana . [20] Se ha investigado el almacenamiento intersesional en cavernas y parece ser económico [21] y desempeña un papel importante en la calefacción en Finlandia . El productor de energía Helen Oy estima una capacidad de 11,6 GWh y una producción térmica de 120 MW para suCisterna de agua de 260.000 m3 bajo Mustikkamaa (completamente cargada o descargada en 4 días a plena capacidad), en funcionamiento a partir de 2021 para compensar los días de máxima producción/demanda; [ 22]Cavernas de roca de 300.000 m3En 2018, se designaron 50 m bajo el nivel del mar en Kruunuvuorenranta (cerca de Laajasalo ) para almacenar calor en verano a partir de agua de mar tibia y liberarlo en invierno para calefacción urbana . [23] En 2024, se anunció que el proveedor de energía municipal de Vantaa había encargado la construcción de una instalación de almacenamiento de calor subterránea de más de 1.100.000 metros cúbicos (39.000.000 pies cúbicos) de tamaño y 90 GWh de capacidad, que se espera que esté operativa en 2028. [24]
El silicio sólido o fundido ofrece temperaturas de almacenamiento mucho más altas que las sales, con la consiguiente mayor capacidad y eficiencia. Se está investigando como una posible tecnología de almacenamiento más eficiente energéticamente. El silicio es capaz de almacenar más de 1 MWh de energía por metro cúbico a 1400 °C. Una ventaja adicional es la abundancia relativa de silicio en comparación con las sales utilizadas para el mismo propósito. [25] [26]
Otro medio que puede almacenar energía térmica es el aluminio fundido (reciclado). Esta tecnología fue desarrollada por la empresa sueca Azelio. El material se calienta a 600 °C. Cuando es necesario, la energía se transporta a un motor Stirling mediante un fluido caloportador.
El agua tiene una de las capacidades térmicas más altas , 4,2 kJ/(kg⋅K), mientras que el hormigón tiene aproximadamente un tercio de esa cantidad. Por otro lado, el hormigón se puede calentar a temperaturas mucho más altas (1200 °C) por ejemplo mediante calentamiento eléctrico y, por lo tanto, tiene una capacidad volumétrica general mucho mayor. Por lo tanto, en el ejemplo siguiente, un cubo aislado de aproximadamente2,8 m3 parecen proporcionar suficiente almacenamiento para que una sola casa cubra el 50% de la demanda de calefacción. Esto podría, en principio, usarse para almacenar el calor eólico o solar excedente debido a la capacidad de la calefacción eléctrica para alcanzar altas temperaturas. A nivel de barrio, el desarrollo solar Wiggenhausen-Süd en Friedrichshafen, en el sur de Alemania, ha recibido atención internacional.12.000 m3 (Almacén térmico de hormigón armado de 420.000 pies cúbicos conectado a4.300 m2 (46.000 pies cuadrados ) de colectores solares, que abastecerán a las 570 casas con alrededor del 50% de su calefacción y agua caliente. Siemens-Gamesa construyó un almacenamiento térmico de 130 MWh cerca de Hamburgo con 750 °C en basalto y 1,5 MW de salida eléctrica. [27] [28] Un sistema similar está programado para Sorø , Dinamarca , con el 41-58% del calor almacenado de 18 MWh devuelto para la calefacción urbana de la ciudad, y el 30-41% devuelto como electricidad. [29]
La "tostadora de ladrillos" es un innovador depósito de calor anunciado recientemente (agosto de 2022) que funciona a hasta 1500 °C (2732 °F) y que, según su fabricante, Titan Cement/Rondo, debería ser capaz de reducir las emisiones globales de CO2.
2producción en un 15% en 15 años. [30]
Debido a que el almacenamiento de calor latente (LHS) está asociado con una transición de fase , el término general para el medio asociado es material de cambio de fase (PCM). Durante estas transiciones, se puede agregar o extraer calor sin afectar la temperatura del material, lo que le da una ventaja sobre las tecnologías SHS. Las capacidades de almacenamiento también suelen ser mayores.
Existe una gran variedad de PCM disponibles, entre los que se incluyen, entre otros, sales, polímeros, geles, ceras de parafina y aleaciones metálicas, cada uno con propiedades diferentes. Esto permite un diseño de sistema más orientado a los objetivos. Como el proceso es isotérmico en el punto de fusión del PCM, se puede elegir el material para que tenga el rango de temperatura deseado. Las cualidades deseables incluyen un alto calor latente y conductividad térmica. Además, la unidad de almacenamiento puede ser más compacta si los cambios de volumen durante la transición de fase son pequeños.
Los PCM se subdividen en materiales orgánicos, inorgánicos y eutécticos. En comparación con los PCM orgánicos, los materiales inorgánicos son menos inflamables, más económicos y más fáciles de conseguir. También tienen mayor capacidad de almacenamiento y conductividad térmica. Los PCM orgánicos, por otro lado, son menos corrosivos y no son tan propensos a la separación de fases. Los materiales eutécticos , al ser mezclas, se ajustan más fácilmente para obtener propiedades específicas, pero tienen capacidades térmicas latentes y específicas bajas.
Otro factor importante en el LHS es la encapsulación del PCM. Algunos materiales son más propensos a la erosión y las fugas que otros. El sistema debe diseñarse con cuidado para evitar pérdidas innecesarias de calor. [9]
Las aleaciones con brecha de miscibilidad [31] dependen del cambio de fase de un material metálico (ver: calor latente ) para almacenar energía térmica. [32]
En lugar de bombear el metal líquido entre tanques como en un sistema de sal fundida, el metal se encapsula en otro material metálico con el que no se puede alear ( es inmiscible ). Dependiendo de los dos materiales seleccionados (el material de cambio de fase y el material de encapsulación), las densidades de almacenamiento pueden estar entre 0,2 y 2 MJ/L.
Se utiliza un fluido de trabajo, normalmente agua o vapor, para transferir el calor hacia dentro y hacia fuera del sistema. La conductividad térmica de las aleaciones con espacio de miscibilidad suele ser mayor (hasta 400 W/(m⋅K)) que la de las tecnologías de la competencia [33] [34], lo que significa que es posible una "carga" y "descarga" más rápida del almacenamiento térmico. La tecnología aún no se ha implementado a gran escala.
Se están desarrollando varias aplicaciones en las que se produce hielo durante los períodos de menor demanda y se utiliza para enfriar en un momento posterior. [35] [36] Por ejemplo, el aire acondicionado se puede proporcionar de manera más económica utilizando electricidad de bajo costo por la noche para congelar el agua y luego usar la capacidad de enfriamiento del hielo por la tarde para reducir la electricidad necesaria para manejar las demandas de aire acondicionado. El almacenamiento de energía térmica mediante hielo aprovecha el gran calor de fusión del agua. Históricamente, el hielo se transportaba desde las montañas a las ciudades para su uso como refrigerante. Una tonelada métrica de agua (= un metro cúbico) puede almacenar 334 millones de julios (MJ) o 317.000 BTU (93 kWh). Una instalación de almacenamiento relativamente pequeña puede contener suficiente hielo para enfriar un edificio grande durante un día o una semana.
Además de utilizar hielo en aplicaciones de refrigeración directa, también se utiliza en sistemas de calefacción basados en bombas de calor. En estas aplicaciones, la energía de cambio de fase proporciona una capa muy significativa de capacidad térmica que se encuentra cerca del rango inferior de temperatura en el que pueden funcionar las bombas de calor de fuente de agua. Esto permite que el sistema resista las condiciones de carga de calefacción más pesadas y amplía el período de tiempo en el que los elementos de energía de la fuente pueden devolver calor al sistema.
El almacenamiento de energía criogénica utiliza la licuefacción de aire o nitrógeno como depósito de energía.
Un sistema piloto de energía criogénica que utiliza aire líquido como depósito de energía y calor residual de baja calidad para impulsar la reexpansión térmica del aire, funcionó en una central eléctrica en Slough , Reino Unido, en 2010. [37]
El almacenamiento de calor termoquímico (TCS) implica algún tipo de reacción química exotérmica / endotérmica reversible con materiales termoquímicos (TCM). Según los reactivos, este método puede permitir una capacidad de almacenamiento incluso mayor que el LHS.
En un tipo de TCS, se aplica calor para descomponer ciertas moléculas. Los productos de la reacción se separan y se mezclan nuevamente cuando es necesario, lo que da como resultado una liberación de energía. Algunos ejemplos son la descomposición del óxido de potasio (en un rango de 300 a 800 °C, con una descomposición térmica de 2,1 MJ/kg), el óxido de plomo (300 a 350 °C, 0,26 MJ/kg) y el hidróxido de calcio (por encima de 450 °C, donde las velocidades de reacción se pueden aumentar agregando zinc o aluminio). También se puede utilizar la descomposición fotoquímica del cloruro de nitrosilo y, dado que necesita fotones para ocurrir, funciona especialmente bien cuando se combina con energía solar. [9]
Los procesos de adsorción también entran en esta categoría. Se pueden utilizar no solo para almacenar energía térmica, sino también para controlar la humedad del aire. Las zeolitas (alúmina-silicatos cristalinos microporosos) y los geles de sílice son muy adecuados para este propósito. En entornos cálidos y húmedos, esta tecnología se suele utilizar en combinación con cloruro de litio para enfriar el agua.
El bajo costo (200 dólares por tonelada) y la alta tasa de ciclo (2000×) de las zeolitas sintéticas como Linde 13X con adsorbato de agua han despertado mucho interés académico y comercial recientemente para su uso en el almacenamiento de energía térmica (TES), específicamente de calor solar y residual de baja calidad. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde 2000 hasta la actualidad (2020). El concepto básico es almacenar energía solar térmica como energía química latente en la zeolita. Por lo general, se hace fluir aire caliente y seco de colectores solares de placa plana a través de un lecho de zeolita de modo que se elimine cualquier adsorbato de agua presente. El almacenamiento puede ser diurno, semanal, mensual o incluso estacional, dependiendo del volumen de la zeolita y del área de los paneles solares térmicos. Cuando se necesita calor durante la noche, o en las horas sin sol, o en invierno, el aire humidificado fluye a través de la zeolita. A medida que la humedad es absorbida por la zeolita, el calor se libera al aire y, posteriormente, al espacio del edificio. Guerra enseñó por primera vez en 1978 esta forma de TES, con el uso específico de zeolitas. [38] Las ventajas sobre las sales fundidas y otros TES de alta temperatura incluyen que (1) la temperatura requerida es solo la temperatura de estancamiento típica de un colector térmico solar de placa plana y (2) mientras la zeolita se mantenga seca, la energía se almacena indefinidamente. Debido a la baja temperatura y a que la energía se almacena como calor latente de adsorción, eliminando así los requisitos de aislamiento de un sistema de almacenamiento de sales fundidas, los costos son significativamente más bajos.
Un ejemplo de un sistema de almacenamiento experimental basado en la energía de la reacción química es la tecnología de hidratos de sal. El sistema utiliza la energía de reacción creada cuando las sales se hidratan o deshidratan. Funciona almacenando calor en un recipiente que contiene una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 50%. El calor (por ejemplo, el obtenido con un colector solar) se almacena evaporando el agua en una reacción endotérmica. Cuando se añade agua de nuevo, el calor se libera en una reacción exotérmica a 50 °C (120 °F). Los sistemas actuales funcionan con una eficiencia del 60%. El sistema es especialmente ventajoso para el almacenamiento de energía térmica estacional, porque la sal seca se puede almacenar a temperatura ambiente durante períodos prolongados, sin pérdida de energía. Los contenedores con la sal deshidratada incluso se pueden transportar a una ubicación diferente. El sistema tiene una densidad energética mayor que el calor almacenado en el agua y la capacidad del sistema se puede diseñar para almacenar energía desde unos pocos meses hasta años. [39]
En 2013, el desarrollador de tecnología holandés TNO presentó los resultados del proyecto MERITS para almacenar calor en un contenedor de sal. El calor, que puede obtenerse de un colector solar en un tejado, expulsa el agua contenida en la sal. Cuando se añade agua de nuevo, el calor se libera, sin apenas pérdidas de energía. Un contenedor con unos pocos metros cúbicos de sal podría almacenar suficiente energía termoquímica para calentar una casa durante todo el invierno. En un clima templado como el de los Países Bajos, un hogar medio de bajo consumo energético requiere unos 6,7 GJ/invierno. Para almacenar esta energía en agua (a una diferencia de temperatura de 70 °C), se necesitarían 23 m 3 de almacenamiento de agua aislada, lo que supera la capacidad de almacenamiento de la mayoría de los hogares. Utilizando la tecnología de hidratos de sal con una densidad de almacenamiento de aproximadamente 1 GJ/m 3 , 4–8 m 3 podrían ser suficientes. [40]
A partir de 2016, investigadores de varios países están realizando experimentos para determinar el mejor tipo de sal o mezcla de sales. La baja presión dentro del recipiente parece favorable para el transporte de energía. [41] Especialmente prometedoras son las sales orgánicas, los llamados líquidos iónicos . En comparación con los sorbentes basados en haluro de litio, son menos problemáticos en términos de recursos globales limitados y, en comparación con la mayoría de los demás haluros y el hidróxido de sodio (NaOH), son menos corrosivos y no se ven afectados negativamente por las contaminaciones de CO 2. [42]
Se está investigando el almacenamiento de energía en enlaces moleculares. Se han logrado densidades de energía equivalentes a las baterías de iones de litio . [43] Esto se ha hecho mediante una DSPEC (célula de fotoelectrosíntesis disensibilizada). Se trata de una célula que puede almacenar energía adquirida por paneles solares durante el día para su uso nocturno (o incluso más tarde). Está diseñada tomando como referencia la fotosíntesis natural, bien conocida.
El DSPEC genera combustible de hidrógeno aprovechando la energía solar adquirida para dividir las moléculas de agua en sus elementos. Como resultado de esta división, el hidrógeno queda aislado y el oxígeno se libera al aire. Esto parece más fácil de lo que realmente es. Es necesario separar cuatro electrones de las moléculas de agua y transportarlos a otro lugar. Otra parte difícil es el proceso de fusión de las dos moléculas de hidrógeno separadas.
El DSPEC consta de dos componentes: una molécula y una nanopartícula . La molécula se denomina conjunto cromóforo-catalizador, que absorbe la luz solar y pone en marcha el catalizador. Este catalizador separa los electrones y las moléculas de agua. Las nanopartículas se ensamblan en una capa fina y una sola nanopartícula tiene muchos cromóforos-catalizadores sobre ella. La función de esta fina capa de nanopartículas es transferir los electrones que se separan del agua. Esta fina capa de nanopartículas está recubierta por una capa de dióxido de titanio. Con este recubrimiento, los electrones que quedan libres pueden transferirse más rápidamente para que se pueda producir hidrógeno. Este recubrimiento, a su vez, está recubierto con una capa protectora que fortalece la conexión entre el cromóforo-catalizador y la nanopartícula.
Con este método, la energía solar obtenida de los paneles solares se convierte en combustible (hidrógeno) sin liberar los llamados gases de efecto invernadero. Este combustible puede almacenarse en una pila de combustible y, posteriormente, utilizarse para generar electricidad. [44]
Otra forma prometedora de almacenar energía solar para producir electricidad y calor es el llamado sistema solar térmico molecular (MOST). Con este enfoque, una molécula se convierte por fotoisomerización en un isómero de mayor energía. La fotoisomerización es un proceso en el que un isómero (cis trans) se convierte en otro por la luz (energía solar). Este isómero es capaz de almacenar la energía solar hasta que la energía es liberada por un disparador de calor o catalizador (luego, el isómero se convierte en su isómero original). Un candidato prometedor para un MOST de este tipo es el norbornadieno (NBD). Esto se debe a que existe una gran diferencia de energía entre el NBD y el fotoisómero cuadriciclano (QC). Esta diferencia de energía es de aproximadamente 96 kJ/mol. También se sabe que para tales sistemas, las sustituciones donador-aceptor proporcionan un medio eficaz para desplazar hacia el rojo la absorción de longitud de onda más larga. Esto mejora la coincidencia del espectro solar.
Un desafío crucial para un sistema MOST útil es adquirir una densidad de almacenamiento de energía satisfactoriamente alta (si es posible, superior a 300 kJ/kg). Otro desafío de un sistema MOST es que la luz se puede captar en la región visible. La funcionalización del NBD con las unidades donadora y aceptora se utiliza para ajustar estos máximos de absorción. Sin embargo, este efecto positivo en la absorción solar se compensa con un mayor peso molecular. Esto implica una menor densidad de energía. Este efecto positivo en la absorción solar tiene otra desventaja. A saber, que el tiempo de almacenamiento de energía se reduce cuando la absorción se desplaza hacia el rojo. Una posible solución para superar esta anticorrelación entre la densidad de energía y el desplazamiento hacia el rojo es acoplar una unidad cromófora a varios fotointerruptores. En este caso, es ventajoso formar los llamados dímeros o trímeros. Los NBD comparten un donador y/o aceptor común.
Kasper Moth-Poulsen y su equipo intentaron diseñar la estabilidad del fotoisómero de alta energía al tener dos fotointerruptores acoplados electrónicamente con barreras separadas para la conversión térmica. [45] Al hacerlo, se produjo un desplazamiento hacia el azul después de la primera isomerización (NBD-NBD a QC-NBD). Esto condujo a una mayor energía de isomerización del segundo evento de conmutación (QC-NBD a QC-QC). Otra ventaja de este sistema, al compartir un donante, es que se reduce el peso molecular por unidad de norbornadieno. Esto conduce a un aumento de la densidad energética.
Con el tiempo, este sistema podría alcanzar un rendimiento cuántico de fotoconversión de hasta el 94% por unidad NBD. El rendimiento cuántico es una medida de la eficiencia de la emisión de fotones. Con este sistema, las densidades de energía medidas alcanzaron hasta 559 kJ/kg (superando el objetivo de 300 kJ/kg). Por lo tanto, el potencial de los fotointerruptores moleculares es enorme, no solo para el almacenamiento de energía solar térmica, sino también para otras aplicaciones. [45]
En 2022, los investigadores informaron que combinaron el MOST con un generador termoeléctrico del tamaño de un chip para generar electricidad a partir de él. Según se informa, el sistema puede almacenar energía solar durante hasta 18 años y puede ser una opción para el almacenamiento de energía renovable . [46] [47]
Una batería de energía térmica es una estructura física que se utiliza con el propósito de almacenar y liberar energía térmica . Este tipo de batería térmica (también conocida como TBat) permite almacenar temporalmente la energía disponible en un momento dado y liberarla en otro. Los principios básicos que intervienen en una batería térmica se dan a nivel atómico de la materia, en el que se añade o se quita energía de una masa sólida o de un volumen líquido, lo que hace que cambie la temperatura de la sustancia . Algunas baterías térmicas también implican hacer que una sustancia pase térmicamente por una transición de fase, lo que hace que se almacene y libere aún más energía debido a la entalpía delta de fusión o la entalpía delta de vaporización .
Las baterías térmicas son muy comunes e incluyen elementos tan conocidos como las bolsas de agua caliente . Algunos ejemplos antiguos de baterías térmicas son las estufas de piedra y barro, las rocas colocadas en el fuego y los hornos. Si bien las estufas y los hornos son hornos, también son sistemas de almacenamiento térmico que dependen de la retención del calor durante un período prolongado de tiempo. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica también se pueden instalar en situaciones domésticas, siendo las baterías térmicas y los acumuladores térmicos los tipos más comunes de sistemas de almacenamiento de energía instalados en los hogares del Reino Unido. [48]
Las baterías térmicas se dividen generalmente en cuatro categorías con diferentes formas y aplicaciones, aunque en esencia todas sirven para almacenar y recuperar energía térmica. También difieren en el método y la densidad de almacenamiento de calor. [ cita requerida ]
Los materiales de cambio de fase que se utilizan para el almacenamiento térmico son capaces de almacenar y liberar una capacidad térmica significativa a la temperatura a la que cambian de fase. Estos materiales se eligen en función de aplicaciones específicas porque existe una amplia gama de temperaturas que pueden ser útiles en diferentes aplicaciones y una amplia gama de materiales que cambian de fase a diferentes temperaturas. Estos materiales incluyen sales y ceras que están diseñadas específicamente para las aplicaciones a las que sirven. Además de los materiales manufacturados, el agua es un material de cambio de fase. El calor latente del agua es de 334 julios/gramo. El cambio de fase del agua ocurre a 0 °C (32 °F).
Algunas aplicaciones utilizan la capacidad térmica del agua o del hielo como almacenamiento de frío; otras la utilizan como almacenamiento de calor. Puede servir para cualquiera de las dos aplicaciones; el hielo se puede derretir para almacenar calor y luego volver a congelarse para calentar un ambiente. La ventaja de utilizar un cambio de fase de esta manera es que una masa dada de material puede absorber una gran cantidad de energía sin que su temperatura cambie. Por lo tanto, una batería térmica que utiliza un cambio de fase puede hacerse más ligera, o se le puede poner más energía sin aumentar la temperatura interna de forma inaceptable. [ cita requerida ]
Una batería térmica encapsulada es físicamente similar a una batería térmica de cambio de fase en el sentido de que es una cantidad limitada de material físico que se calienta o enfría térmicamente para almacenar o extraer energía. Sin embargo, en una batería térmica encapsulada sin cambio de fase, la temperatura de la sustancia cambia sin inducir un cambio de fase. Dado que no se necesita un cambio de fase, hay muchos más materiales disponibles para su uso en una batería térmica encapsulada. Una de las propiedades clave de una batería térmica encapsulada es su capacidad térmica volumétrica (VHC), también denominada capacidad térmica específica del volumen . Se utilizan varias sustancias para estas baterías térmicas, por ejemplo, agua, hormigón y arena húmeda o seca. [49] [50]
Un ejemplo de una batería térmica encapsulada es un calentador de agua residencial con un tanque de almacenamiento. [51] [52] Esta batería térmica generalmente se carga lentamente durante un período de aproximadamente 30 a 60 minutos para un uso rápido cuando sea necesario (por ejemplo, 10 a 15 minutos). Muchas empresas de servicios públicos, al comprender la naturaleza de "batería térmica" de los calentadores de agua, han comenzado a utilizarlos para absorber el exceso de energía renovable cuando está disponible para su uso posterior por parte del propietario de la vivienda. Según el artículo citado anteriormente, [51] "los ahorros netos para el sistema eléctrico en su conjunto podrían ser de 200 dólares por año por calentador, parte de los cuales pueden transferirse a su propietario".
En Finlandia se han llevado a cabo investigaciones sobre el uso de arena como medio de almacenamiento de calor, donde en 2022 se construyó un prototipo de batería de arena de 8 MWh para almacenar energía solar y eólica renovable en forma de calor, para su uso posterior como calefacción urbana y, posiblemente, para la posterior generación de energía. [53] [54]
Un intercambiador de calor terrestre (GHEX, por sus siglas en inglés) es una zona de la tierra que se utiliza como batería térmica de ciclo estacional/anual. Estas baterías térmicas son zonas de la tierra en las que se han colocado tuberías para transferir energía térmica. La energía se añade al GHEX haciendo pasar un fluido a mayor temperatura por las tuberías y, de este modo, elevando la temperatura de la tierra local. También se puede extraer energía del GHEX haciendo pasar un fluido a menor temperatura por esas mismas tuberías.
Los GHEX se suelen implementar de dos formas. La imagen de arriba muestra lo que se conoce como GHEX "horizontal", en el que se utilizan zanjas para colocar una cantidad de tuberías en un circuito cerrado en el suelo. También se forman perforando pozos en el suelo, ya sea vertical u horizontalmente, y luego se insertan las tuberías en forma de circuito cerrado con un accesorio en forma de "U" en el extremo más alejado del circuito.
La energía térmica se puede añadir o quitar de un GHEX en cualquier momento. Sin embargo, se utilizan con mayor frecuencia como un almacenamiento de energía térmica estacional que opera en un ciclo anual donde la energía se extrae de un edificio durante la temporada de verano para enfriar un edificio y se agrega al GHEX. Luego, esa misma energía se extrae más tarde del GHEX en la temporada de invierno para calentar el edificio. Este ciclo anual de adición y sustracción de energía es altamente predecible en función del modelado energético del edificio servido. Una batería térmica utilizada en este modo es una fuente de energía renovable ya que la energía extraída en el invierno se restaurará al GHEX el próximo verano en un ciclo que se repite continuamente. Este tipo funciona con energía solar porque es el calor del sol en el verano el que se extrae de un edificio y se almacena en el suelo para su uso en la próxima temporada de invierno para calefacción. Hay dos métodos principales de prueba de respuesta térmica que se utilizan para caracterizar la conductividad térmica y la capacidad térmica/difusividad de las baterías térmicas GHEX: ajuste de curva unidimensional de tiempo logarítmico [55] y la prueba de respuesta térmica avanzada recientemente lanzada. [56] [57]
Un buen ejemplo de la naturaleza del ciclo anual de una batería térmica GHEX se puede ver en el estudio de construcción de ASHRAE. [58] Como se ve allí en el gráfico 'Temperaturas del aire ambiente y del bucle de tierra por fecha' (Figura 2-7), se puede ver fácilmente la forma sinusoidal del ciclo anual de la temperatura del suelo a medida que el calor se extrae estacionalmente del suelo en invierno y se rechaza al suelo en verano, creando una "carga térmica" del suelo en una estación que no se descarga y se conduce en la otra dirección desde neutral hasta una estación posterior. Otros ejemplos más avanzados de baterías térmicas basadas en tierra que utilizan patrones térmicos intencionales de pozos se encuentran actualmente en investigación y uso temprano. [ cita requerida ]
En la industria de defensa, las baterías primarias de sales fundidas se denominan "baterías térmicas". Son baterías eléctricas no recargables que utilizan una mezcla eutéctica de sales metálicas iónicas de bajo punto de fusión (cloruros, bromuros, etc. de sodio, potasio y litio) como electrolito, fabricadas con las sales en forma sólida. Mientras las sales permanezcan sólidas, la batería tiene una larga vida útil de hasta 50 [59] años. Una vez activada (normalmente mediante una fuente de calor pirotécnica ) y fundida el electrolito, es muy fiable y tiene una alta densidad de energía y potencia. Se utilizan ampliamente para aplicaciones militares, como misiles guiados pequeños y grandes, y armas nucleares. [ cita requerida ]
Existen otros elementos que históricamente se han denominado "baterías térmicas", como las bolsas térmicas de almacenamiento de energía que utilizan los esquiadores para mantener calientes las manos y los pies (véase calentador de manos ). Estas contienen polvo de hierro humedecido con agua salada sin oxígeno que se corroe rápidamente en un período de horas, liberando calor, cuando se expone al aire. Las bolsas de frío instantáneo absorben el calor mediante un cambio de fase no químico, como por ejemplo absorbiendo el calor endotérmico de la solución de ciertos compuestos.
El principio común de estas otras baterías térmicas es que la reacción que se produce no es reversible. Por lo tanto, estas baterías no se utilizan para almacenar y recuperar energía térmica.
Los acumuladores de calor son habituales en los hogares europeos con contadores de uso (tradicionalmente utilizan electricidad más barata durante la noche). Consisten en ladrillos cerámicos de alta densidad o bloques de feolita calentados a alta temperatura con electricidad y pueden o no tener un buen aislamiento y controles para liberar calor durante varias horas. Algunos recomiendan no utilizarlos en zonas con niños pequeños o donde haya un mayor riesgo de incendios debido a la mala limpieza, ambos por las altas temperaturas que se generan. [60] [61]
Con el aumento de la energía eólica y solar (y otras energías renovables) que aportan una parte cada vez mayor de la energía que entra en las redes eléctricas de algunos países, varias empresas comerciales están explorando el uso de almacenamiento de energía eléctrica a mayor escala. Lo ideal es que la utilización del excedente de energía renovable se transforme en calor de alta temperatura y alta calidad en depósitos de calor altamente aislados, para liberarlo más tarde cuando sea necesario. Una tecnología emergente es el uso de depósitos de calor de vacío súper aislados (VSI). [62] El uso de electricidad para generar calor, y no, por ejemplo, calor directo de los colectores solares térmicos, significa que se pueden lograr temperaturas muy altas, lo que potencialmente permite la transferencia de calor entre estaciones (almacenar calor de alta calidad en verano a partir del excedente de generación fotovoltaica en calor almacenado para el invierno siguiente con pérdidas en reposo relativamente mínimas) .
La energía solar es una aplicación del almacenamiento de energía térmica. La mayoría de los sistemas prácticos de almacenamiento solar térmico proporcionan almacenamiento de energía que va desde unas pocas horas hasta un día. Sin embargo, un número cada vez mayor de instalaciones utilizan el almacenamiento de energía térmica estacional (STES), lo que permite almacenar energía solar en verano para calentar el espacio durante el invierno. [63] [64] [65] En 2017, la comunidad solar Drake Landing en Alberta, Canadá, logró una fracción de calentamiento solar del 97% durante todo el año, un récord mundial que fue posible gracias a la incorporación de STES. [63] [66]
El uso combinado de calor latente y calor sensible es posible con aportes de energía solar térmica a alta temperatura. Diversas mezclas de metales eutécticos, como aluminio y silicio ( AlSi
12) ofrecen un alto punto de fusión adecuado para una generación eficiente de vapor, [67] mientras que los materiales basados en cemento con alto contenido de alúmina ofrecen buenas capacidades de almacenamiento. [68]
En el almacenamiento de electricidad mediante calor bombeado (PHES), se utiliza un sistema de bomba de calor reversible para almacenar energía como una diferencia de temperatura entre dos depósitos de calor. [69] [70] [71]
Los sistemas isoentrópicos involucran dos contenedores aislados llenos, por ejemplo, de roca triturada o grava: un recipiente caliente que almacena energía térmica a alta temperatura/presión, y un recipiente frío que almacena energía térmica a baja temperatura/presión. Los recipientes están conectados en la parte superior e inferior por tuberías y todo el sistema está lleno de un gas inerte como el argón . [72]
Durante la carga, el sistema puede utilizar electricidad fuera de horas punta para funcionar como una bomba de calor . Un prototipo utilizó argón a temperatura ambiente y la presión de la parte superior del almacén frigorífico se comprime adiabáticamente , a una presión de, por ejemplo, 12 bares, calentándolo a unos 500 °C (900 °F). El gas comprimido se transfiere a la parte superior del recipiente caliente donde se filtra hacia abajo a través de la grava, transfiriendo calor a la roca y enfriando a temperatura ambiente. El gas enfriado, pero aún presurizado, que emerge en el fondo del recipiente se expande adiabáticamente a 1 bar, lo que reduce su temperatura a -150 °C. Luego, el gas frío pasa a través del recipiente frío donde enfría la roca mientras la calienta a su estado inicial.
La energía se recupera en forma de electricidad invirtiendo el ciclo. El gas caliente del recipiente caliente se expande para accionar un generador y luego se suministra al depósito frigorífico. El gas enfriado recuperado del fondo del depósito frigorífico se comprime, lo que calienta el gas a temperatura ambiente. Luego, el gas se transfiere al fondo del recipiente caliente para recalentarlo.
Los procesos de compresión y expansión son proporcionados por una máquina reciprocante especialmente diseñada que utiliza válvulas deslizantes. El calor excedente generado por ineficiencias en el proceso se libera al medio ambiente a través de intercambiadores de calor durante el ciclo de descarga. [69] [72]
El desarrollador afirmó que se podía lograr una eficiencia de ida y vuelta del 72 al 80 %. [69] [72] Esto se compara con el >80 % que se puede lograr con el almacenamiento de energía hidroeléctrica bombeada. [70]
Otro sistema propuesto utiliza turbomáquinas y es capaz de operar a niveles de potencia mucho más altos. [71] El uso de material de cambio de fase como material de almacenamiento de calor podría mejorar el rendimiento. [16]
