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El almacenamiento de energía térmica ( TES ) es el almacenamiento de energía térmica para su posterior reutilización. Empleando 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. Ejemplos de uso son el equilibrio de la demanda de energía entre el día y la noche, el almacenamiento del calor del verano para calefacción en invierno o el frío del invierno para refrigeración en verano ( almacenamiento de energía térmica estacional ). Los medios de almacenamiento incluyen tanques de agua o hielo, masas de tierra nativa o lecho de roca a los que se accede con intercambiadores de calor mediante perforaciones, 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] [5]
Otras fuentes de energía térmica para almacenamiento incluyen el calor o el frío producido con bombas de calor a partir de energía eléctrica fuera de las horas pico y de menor costo, una práctica llamada reducción de horas punta ; calor de centrales eléctricas combinadas de calor y energía (CHP); calor producido por energía eléctrica renovable que excede la demanda de la red y calor residual de procesos industriales. El almacenamiento de calor, tanto estacional como a corto plazo, se considera un medio importante para equilibrar de forma económica altos porcentajes de producción variable de electricidad renovable y la integración de los sectores de electricidad y calefacción en sistemas energéticos alimentados casi o completamente por energía renovable. [6] [7] [8] [9]
Los diferentes 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 estos tiene diferentes ventajas y desventajas que determinan sus aplicaciones.
El almacenamiento de calor sensible (SHS) es el método más sencillo. Simplemente significa que la temperatura de algún medio aumenta o disminuye. Este tipo de almacenamiento es el más disponible comercialmente de los tres; 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 puede almacenarse bajo tierra (UTES), ya sea en un tanque subterráneo o en algún tipo de fluido caloportador (HTF) que fluye a través de un sistema de tuberías, ya sea colocadas verticalmente en forma de U (pozos) u horizontalmente en zanjas. Otro sistema más se conoce como unidad de almacenamiento de lecho empaquetado (o lecho de guijarros), en el que algo 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 de 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 diseñarse adecuadamente para garantizar la extracción de energía a una temperatura constante. [10]
El calor sensible de las sales fundidas también se utiliza para almacenar energía solar a alta temperatura, [11] denominada tecnología de sales fundidas o almacenamiento de energía en sales fundidas (MSES). Las sales fundidas se pueden emplear como método de almacenamiento de energía térmica para retener la 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 un colector solar ). Posteriormente, el calor se puede convertir en vapor sobrecalentado para alimentar turbinas de vapor convencionales y generar electricidad más adelante. Esto quedó demostrado en el proyecto Solar Two de 1995 a 1999. Las estimaciones de 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 del calor directamente en electricidad. [12] [13] [14] Se utilizan varias mezclas eutécticas de diferentes sales (p. ej., nitrato de sodio , nitrato de potasio y nitrato de calcio ). Existe experiencia con tales sistemas en aplicaciones no solares en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor.
La sal se derrite a 131 °C (268 °F). Se mantiene líquido 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 enfocado la calienta a 566 °C (1051 °F). Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Con un aislamiento adecuado del depósito, la energía térmica se puede almacenar de forma útil durante hasta una semana. [15] Cuando se necesita electricidad, la sal fundida caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para impulsar un conjunto de turbina/generador convencional como el que se utiliza en cualquier central de carbón, petróleo o energía nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de altura y 24 metros (79 pies) de diámetro para funcionar durante cuatro horas con este diseño.
Se está desarrollando un tanque único con una placa divisoria para separar la sal fundida fría y caliente. [16] Es más económico al lograr un 100% más de almacenamiento de calor por unidad de volumen que el sistema de tanques duales, ya que el tanque de almacenamiento de sales fundidas es costoso debido a su complicada construcción. Los materiales de cambio de fase (PCM) también se utilizan en el almacenamiento de energía en sales fundidas, [17] mientras que se están realizando investigaciones para obtener PCM de forma estabilizada utilizando matrices de alta porosidad. [18]
La mayoría de las centrales termosolares utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La estación generadora Solana en EE. UU. puede almacenar 6 horas de capacidad de generación en sal fundida. Durante el verano de 2013, la planta de torre de energía solar/sal fundida Gemasolar Thermosolar en España logró por primera vez producir electricidad de forma continua las 24 horas del día durante 36 días. [19] La Planta Termosolar Cerro Dominador , inaugurada en junio de 2021, cuenta con 17,5 horas de almacenamiento de calor. [20]
Un acumulador de vapor consta de un tanque de presión de acero aislado que contiene agua caliente y vapor a 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 .
Los grandes almacenes se utilizan ampliamente en los países nórdicos para almacenar calor durante varios días, desacoplar la producción de calor y energía y ayudar a satisfacer las demandas punta. Se ha investigado el almacenamiento en cavernas entre sesiones 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 m 3 bajo Mustikkamaa (completamente cargada o descargada en 4 días a su capacidad), operativa a partir de 2021 para compensar los días de pico de producción/demanda; [22] mientras que el300.000 m 3 cavernas rocosasEn 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 cálida y liberarlo en invierno para calefacción urbana . [23]
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 desde el punto de vista energético. El silicio es capaz de almacenar más de 1 MWh de energía por metro cúbico a 1400 °C. Una ventaja adicional es la relativa abundancia de silicio en comparación con las sales utilizadas para el mismo fin. [24] [25]
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 de transferencia de calor.
El agua tiene una de las capacidades térmicas más altas con 4,2 kJ/(kg⋅K), mientras que el hormigón tiene aproximadamente un tercio de eso. Por otro lado, el hormigón se puede calentar a temperaturas mucho más altas (1200 °C) mediante, por ejemplo, calentamiento eléctrico y, por lo tanto, tiene una capacidad volumétrica general mucho mayor. Así, en el siguiente ejemplo, un cubo aislado de aproximadamente2,8 m 3 parecen proporcionar suficiente almacenamiento para que una sola casa cubra el 50% de la demanda de calefacción. En principio, esto podría utilizarse para almacenar el excedente de calor eólico o solar 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. Esto presenta un12.000 m 3 (420.000 pies cúbicos ) de almacenamiento térmico de hormigón armado vinculado a4.300 m 2 (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 potencia eléctrica. [26] [27] Está previsto un sistema similar para Sorø , Dinamarca , con un 41-58% del calor almacenado de 18 MWh devuelto a la calefacción urbana de la ciudad, y un 30-41% devuelto como electricidad. [28]
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 poder reducir el CO global.
2producción en un 15% en 15 años. [29]
Debido a que el almacenamiento de calor latente (LHS) está asociado con una transición de fase , el término general para los medios asociados 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 otorga una ventaja sobre las tecnologías SHS. Las capacidades de almacenamiento también suelen ser mayores.
Hay una multitud de PCM disponibles, que incluyen, entre otros, sales, polímeros, geles, ceras de parafina y aleaciones metálicas, cada uno con diferentes propiedades. Esto permite un diseño del sistema más orientado a objetivos. Como el proceso es isotérmico en el punto de fusión del PCM, el material se puede seleccionar para que tenga el rango de temperatura deseado. Las cualidades deseables incluyen 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 a su vez en materiales orgánicos, inorgánicos y eutécticos. En comparación con los PCM orgánicos, los materiales inorgánicos son menos inflamables, más baratos y están más disponibles. También tienen mayor capacidad de almacenamiento y conductividad térmica. Los PCM orgánicos, por otro lado, son menos corrosivos y no tan propensos a la separación de fases. Los materiales eutécticos , al ser mezclas, se ajustan más fácilmente para obtener propiedades específicas, pero tienen bajas capacidades caloríficas latentes y específicas.
Otro factor importante en LHS es la encapsulación del PCM. Algunos materiales son más propensos a la erosión y fugas que otros. El sistema debe diseñarse cuidadosamente para evitar pérdidas innecesarias de calor. [10]
Las aleaciones con brecha de miscibilidad [30] dependen del cambio de fase de un material metálico (ver: calor latente ) para almacenar energía térmica. [31]
En lugar de bombear el metal líquido entre tanques como en un sistema de sales fundidas, el metal se encapsula en otro material metálico con el que no puede alear ( inmiscible ). Dependiendo de los dos materiales seleccionados (el material de cambio de fase y el material encapsulante) 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 dentro y fuera del sistema. La conductividad térmica de las aleaciones con espacios de miscibilidad suele ser mayor (hasta 400 W/(m⋅K)) que las tecnologías de la competencia [32] [33] , 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 actividad y se utiliza para enfriar más adelante. Por ejemplo, el aire acondicionado se puede proporcionar de forma más económica utilizando electricidad de bajo costo durante la noche para congelar el agua y convertirla en hielo, y luego utilizando la capacidad de enfriamiento del hielo por la tarde para reducir la electricidad necesaria para satisfacer 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 usarlo 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 está cerca del rango inferior de temperatura en el que pueden operar las bombas de calor de fuente de agua. Esto permite que el sistema soporte las condiciones de carga de calefacción más pesadas y extiende el período de tiempo en donde los elementos de la fuente de energía pueden aportar calor nuevamente al sistema.
El almacenamiento de energía criogénico utiliza la licuación de aire o nitrógeno como almacén de energía.
Un sistema piloto de energía criogénica que utiliza aire líquido como almacén 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. [34]
El almacenamiento de calor termoquímico (TCS) implica algún tipo de reacción química exotérmica / endotérmica reversible con materiales termoquímicos (TCM). Dependiendo de los reactivos, este método puede permitir una capacidad de almacenamiento incluso mayor que la del LHS.
En un tipo de TCS, se aplica calor para descomponer ciertas moléculas. Luego, los productos de la reacción se separan y se mezclan nuevamente cuando sea necesario, lo que produce una liberación de energía. Algunos ejemplos son la descomposición de óxido de potasio (en un rango de 300 a 800 °C, con una descomposición térmica de 2,1 MJ/kg), óxido de plomo (300 a 350 °C, 0,26 MJ/kg) e hidróxido de calcio (por encima de 450 °C, donde las velocidades de reacción se pueden aumentar añadiendo zinc o aluminio). También se puede utilizar la descomposición fotoquímica del cloruro de nitrosilo y, dado que necesita fotones para producirse, funciona especialmente bien cuando se combina con energía solar. [10]
Los procesos de adsorción también entran en esta categoría. Puede utilizarse no sólo para almacenar energía térmica, sino también para controlar la humedad del aire. Para este fin son muy adecuadas las zeolitas (silicatos de alúmina cristalinos microporosos) y los geles de sílice. En ambientes cálidos y húmedos, esta tecnología se utiliza a menudo en combinación con cloruro de litio para enfriar el agua.
El bajo costo ($200/tonelada) y la alta tasa de ciclo (2000×) de las zeolitas sintéticas como Linde 13X con adsorbato de agua ha despertado mucho interés académico y comercial recientemente para su uso en el almacenamiento de energía térmica (TES), específicamente de energía solar de bajo grado. y calor residual. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde 2000 hasta la actualidad (2020). El concepto básico es almacenar la energía solar térmica como energía química latente en la zeolita. Normalmente, el aire caliente y seco de los colectores solares de placa plana se hace fluir a través de un lecho de zeolita de manera que se elimine cualquier adsorbato de agua presente. El almacenamiento puede ser diurno, semanal, mensual o incluso estacional dependiendo del volumen de zeolita y del área de los paneles solares térmicos. Cuando se necesita calor durante la noche, las horas sin sol o el invierno, el aire humidificado fluye a través de la zeolita. A medida que la zeolita absorbe la humedad, el calor se libera al aire y posteriormente al espacio del edificio. Esta forma de TES, con uso específico de zeolitas, fue enseñada por primera vez por Guerra en 1978. [35] 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 una placa solar plana colector térmico, 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 una reacción química es la tecnología de los 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, procedente del uso de un colector solar) se almacena evaporando el agua en una reacción endotérmica. Cuando se vuelve a agregar agua, se libera calor 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 puede almacenarse a temperatura ambiente durante tiempos prolongados, sin pérdida de energía. Los contenedores con la sal deshidratada pueden incluso transportarse a otro lugar. El sistema tiene una mayor densidad de energía que el calor almacenado en el agua y la capacidad del sistema puede diseñarse para almacenar energía desde unos pocos meses hasta años. [36]
En 2013, el desarrollador tecnológico holandés TNO presentó los resultados del proyecto MERITS para almacenar calor en un recipiente de sal. El calor, que puede obtenerse de un colector solar instalado en el tejado, expulsa el agua contenida en la sal. Cuando se vuelve a añadir agua, se libera calor, casi sin pérdida de energía. Un recipiente 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 alrededor de 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 aislado, lo que excede la capacidad de almacenamiento de la mayoría de los hogares. Utilizando tecnología de hidratos de sal con una densidad de almacenamiento de aproximadamente 1 GJ/m 3 , entre 4 y 8 m 3 podrían ser suficientes. [37]
A partir de 2016, investigadores de varios países están realizando experimentos para determinar el mejor tipo de sal o mezcla de sal. La baja presión dentro del contenedor parece favorable para el transporte de energía. [38] Especialmente prometedoras son las sales orgánicas, los llamados líquidos iónicos . En comparación con los sorbentes a base de haluro de litio, son menos problemáticos en términos de recursos globales limitados y, en comparación con la mayoría de los otros haluros y el hidróxido de sodio (NaOH), son menos corrosivos y no se ven afectados negativamente por la contaminación por CO 2 . [39]
Se está investigando el almacenamiento de energía en enlaces moleculares. Se han logrado densidades de energía equivalentes a las baterías de iones de litio . [40] Esto se ha hecho mediante una DSPEC (célula de fotoelectrosíntesis dissensibilizada). Se trata de una célula que puede almacenar la energía adquirida por los paneles solares durante el día para su uso nocturno (o incluso más tarde). Está diseñado tomando una indicación de la conocida fotosíntesis natural.
El DSPEC genera combustible de hidrógeno utilizando la energía solar adquirida para dividir las moléculas de agua en sus elementos. Como resultado de esta división, el hidrógeno se aísla y el oxígeno se libera al aire. Esto suena más fácil de lo que realmente es. Es necesario separar cuatro electrones de las moléculas de agua y transportarlos a otra parte. Otra parte difícil es el proceso de fusionar las dos moléculas de hidrógeno separadas.
La DSPEC consta de dos componentes: una molécula y una nanopartícula . La molécula se llama 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 delgada y una sola nanopartícula tiene muchos catalizadores cromóforos. 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 se pueden transferir más rápidamente para poder producir hidrógeno. Este recubrimiento está, nuevamente, 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. [41]
Otra forma prometedora de almacenar energía solar para la producción de electricidad y calor es el llamado sistema solar térmico molecular (MOST). Con este enfoque, una molécula se convierte mediante fotoisomerización en un isómero de mayor energía. La fotoisomerización es un proceso en el que un isómero (cis trans) se convierte en otro mediante 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 tal MOST es el norbornadieno (NBD). Esto se debe a que existe una gran diferencia de energía entre el fotoisómero NBD y el cuadriciclano (QC). Esta diferencia de energía es de aproximadamente 96 kJ/mol. También se sabe que para tales sistemas, las sustituciones donante-aceptor proporcionan un medio eficaz para desplazar al 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 alta densidad de almacenamiento de energía satisfactoria (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 donadoras y aceptoras se utiliza para ajustar estos máximos de absorción. Sin embargo, este efecto positivo sobre la absorción solar se compensa con un mayor peso molecular. Esto implica una menor densidad energética. Este efecto positivo sobre la absorción solar tiene otra desventaja. Es decir, que el tiempo de almacenamiento de energía se reduce cuando la absorción se desplaza al rojo. Una posible solución para superar esta anticorrelación entre la densidad de energía y el corrimiento al rojo es acoplar una unidad de cromóforo a varios fotointerruptores. En este caso es ventajoso formar los llamados dímeros o trímeros. Los NBD comparten un donante 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. [42] Al hacerlo, se produjo un cambio de color 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 donante, es que se reduce el peso molecular por unidad de norbornadieno. Esto conduce a un aumento de la densidad de energía.
Con el tiempo, este sistema podría alcanzar un rendimiento cuántico de fotoconversión de hasta el 94% por unidad NBD. Un 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 tanto, el potencial de los fotointerruptores moleculares es enorme, no sólo para el almacenamiento de energía solar térmica sino también para otras aplicaciones. [42]
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 hasta por 18 años y puede ser una opción para el almacenamiento de energía renovable . [43] [44]
Los calentadores de almacenamiento son comunes en los hogares europeos con medición de tiempo de uso (tradicionalmente usan 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 tener o no un buen aislamiento y controles para liberar calor durante varias horas. Algunos consejos para no utilizarlos en zonas con niños pequeños o donde haya mayor riesgo de incendios por una mala limpieza, ambos por las altas temperaturas que implican. [45] [46]
Dado que el auge de la energía eólica y solar (y otras energías renovables) proporciona una proporción cada vez mayor del aporte de energía a las redes eléctricas en algunos países, varias empresas comerciales están explorando el uso de almacenamiento de energía eléctrica a mayor escala. Idealmente, la utilización del excedente de energía renovable se transforma en calor de alta temperatura y alta calidad en almacenes de calor altamente aislados, para liberarlo más tarde cuando sea necesario. Una tecnología emergente es el uso de acumuladores de calor superaislados al vacío (VSI). [47] El uso de electricidad para generar calor, y no digamos calor directo de los colectores solares térmicos, significa que se pueden alcanzar temperaturas muy altas, lo que potencialmente permite la transferencia de calor entre estaciones , almacenando calor de alto grado en verano a partir del excedente de generación fotovoltaica en calor. almacenado para el invierno siguiente con pérdidas relativamente mínimas .
La energía solar es una aplicación del almacenamiento de energía térmica. La mayoría de los sistemas de almacenamiento térmico solar prácticos proporcionan almacenamiento de energía desde unas pocas horas hasta un día. Sin embargo, un número cada vez mayor de instalaciones utilizan almacenamiento de energía térmica estacional (STES), lo que permite almacenar energía solar en verano para calentar el espacio durante el invierno. [48] [49] [50] En 2017, Drake Landing Solar Community en Alberta, Canadá, logró una fracción de calentamiento solar del 97% durante todo el año, un récord mundial posible gracias a la incorporación de STES. [48] [51]
El uso combinado de calor latente y calor sensible es posible con aporte solar térmico de alta temperatura. Diversas mezclas de metales eutécticos, como aluminio y silicio ( AlSi
12) ofrecen un alto punto de fusión adecuado para la generación eficiente de vapor, [52] mientras que los materiales a base de cemento con alto contenido de alúmina ofrecen buenas capacidades de almacenamiento. [53]
En el almacenamiento de electricidad por calor por bombeo (PHES), se utiliza un sistema de bomba de calor reversible para almacenar energía como una diferencia de temperatura entre dos depósitos de calor. [54] [55] [56]
Los sistemas isentrópicos implican 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 mediante tuberías y todo el sistema se llena con un gas inerte como el argón . [57]
Mientras se carga, el sistema puede utilizar electricidad de horas valle para funcionar como bomba de calor . Un prototipo utilizó argón a temperatura ambiente y la presión desde la parte superior del almacén frigorífico se comprime adiabáticamente a una presión de, por ejemplo, 12 bar, calentándolo a unos 500 °C (900 °F). El gas comprimido se transfiere a la parte superior del recipiente caliente donde se filtra a través de la grava, transfiriendo calor a la roca y enfriándose 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 se calienta hasta su condición inicial.
La energía se recupera como electricidad invirtiendo el ciclo. El gas caliente del recipiente caliente se expande para impulsar un generador y luego se suministra a la cámara frigorífica. El gas enfriado recuperado del fondo de la cámara frigorífica 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 alternativa especialmente diseñada que utiliza válvulas deslizantes. El calor excedente generado por ineficiencias en el proceso se vierte al medio ambiente a través de intercambiadores de calor durante el ciclo de descarga. [54] [57]
El desarrollador afirmó que se podía lograr una eficiencia de ida y vuelta del 72 al 80%. [54] [57] Esto se compara con >80% que se puede lograr con el almacenamiento de energía hidroeléctrica por bombeo. [55]
Otro sistema propuesto utiliza turbomaquinaria y es capaz de funcionar a niveles de potencia mucho más altos. [56] El uso de material de cambio de fase como material de almacenamiento de calor podría mejorar el rendimiento. [17]
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)UNA INVESTIGACIÓN EXPERIMENTAL DE UN CALENTADOR DE ALMACENAMIENTO ELÉCTRICO