Un esquema simplificado de un sistema de batería típico de Carnot.
Una batería de Carnot es un tipo de sistema de almacenamiento de energía que almacena electricidad en un almacenamiento de energía térmica . Durante el proceso de carga, la electricidad se convierte en calor y se almacena en un almacenamiento de calor. Durante el proceso de descarga, el calor almacenado se vuelve a convertir en electricidad. [1] [2]
Marguerre patentó el concepto de esta tecnología hace 100 años, [3] pero su desarrollo se revitalizó recientemente, dado el mayor uso de energías renovables y la necesidad de aumentar la energía total recuperada entregada a partir de dichas fuentes. En este contexto, André 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 objetivo de esta tecnología es almacenar electricidad. La eficiencia de descarga de las baterías de Carnot está limitada por la eficiencia de Carnot .
El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Stuttgart llevan desde 2014 trabajando en el concepto de baterías de Carnot que almacenan electricidad en forma de almacenamiento de calor a alta temperatura. [5]
En 2018, el nombre "batería de Carnot" se utilizó en la Feria de Hannover. , [6] una de las ferias comerciales más grandes del mundo, por DLR. [5]
El concepto de baterías de Carnot también abarca tecnologías que se han desarrollado anteriormente, [7] como el almacenamiento de energía térmica por bombeo [8] [9] y el almacenamiento de energía en aire líquido .
Fondo
En la transición hacia sistemas energéticos bajos en carbono aumenta la penetración de energías renovables variables 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 de iones de litio. Este tipo de batería es adecuada para almacenamiento a corto plazo, pero puede no ser económica para períodos más largos 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 coste de los sistemas a gran escala (por ejemplo, gigavatios hora) puede ser inferior al coste de las baterías electroquímicas. [5]
Anexo 36 de Almacenamiento de Energía: Baterías Carnot es un grupo de trabajo del programa de Conservación y Almacenamiento de Energía (ECES), que forma parte de un Programa de Colaboración Tecnológica (TCP) de la Agencia Internacional de Energía (AIE) . [10]
Configuración del sistema
Posibles tecnologías de conversión y almacenamiento de energía.
Un sistema de baterías de Carnot se puede dividir en tres partes: Power to Thermal (P2T), Thermal Energy Storage (TES) y Thermal to Power (T2P).
Tecnología de electricidad a calor.
La electricidad se puede convertir en calor mediante el uso de diversas tecnologías. [1]
Bombas de calor como tecnología para bombear calor desde un depósito de temperatura más baja a una temperatura más alta. Se puede dividir en dos grupos: el ciclo de Rankine inverso y el ciclo de Brayton inverso .
El ciclo Rankine inverso se ha utilizado ampliamente en las bombas de calor convencionales.
El concepto de utilizar el ciclo de Brayton para cargar y descargar energía térmica fue propuesto por el Prof. Robert B. Laughlin en 2017. [11]
Otros: en los sistemas de almacenamiento de energía de aire líquido, el ciclo Claude se utiliza para licuar el aire. El proceso Lamm-Honigmann utiliza ciclos termoquímicos para convertir energía en calor. [12]
Almacenamiento de energía térmica
Según el mecanismo para almacenar 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 Carnot son:
Materiales termoquímicos (pares de sustancias químicas), como LiBr/H 2 O y H 2 O/NH 3 [12]
Calor a electricidad
El calor se puede convertir en energía mediante ciclos termodinámicos, como el ciclo de Rankine o el ciclo de Brayton. Algunas tecnologías utilizan la propiedad de los materiales semiconductores para convertir el calor en electricidad, y esas no se consideran una batería de Carnot porque no hay ciclos termodinámicos involucrados en el proceso de conversión, como los materiales termoeléctricos y el "Sol en una caja". [14] Las tecnologías típicas son:
El proceso de Lamm-Honigmann puede convertir la energía almacenada en el almacenamiento termoquímico en electricidad. [12]
Ventajas y desventajas
La batería de Carnot ha sido conocida por varios otros nombres, como “almacenamiento de electricidad térmica bombeada” (PTES) o “almacenamiento de electricidad térmica bombeada” (PHES). 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 de 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 infrautilizada que funciona con combustibles fósiles se pueden reutilizar parcialmente para construir la unidad de baterías Carnot;
El principal inconveniente de esta tecnología es: [17]
La eficiencia de ida y vuelta limitada 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 más bajo que el de la energía hidroeléctrica de almacenamiento por bombeo (65-85%). [18]
Solicitud
Las baterías de Carnot se pueden utilizar como almacenamiento de energía de la red para almacenar el exceso de energía procedente de fuentes de energía renovables variables y producir electricidad cuando sea necesario.
Las baterías de Carnot se han propuesto como una solución para convertir las centrales eléctricas de carbón existentes en un sistema de generación sin combustibles fósiles mediante la sustitución de las calderas de 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]
^ ab Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vicente (2020). "Tecnología de baterías Carnot: una revisión de vanguardia". Revista de almacenamiento de energía . 32 : 101756. doi : 10.1016/j.est.2020.101756. hdl : 2268/251473 . ISSN 2352-152X. S2CID 225019981.
^ "Anexo 36 de almacenamiento de energía de la AIE - Baterías Carnot". Programa de Colaboración Tecnológica Almacenamiento de Energía, Agencia Internacional de Energía . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
^ Marguerre F., «Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie. Mitteilungen der Vereinigung der Elektrizitätswerke 1924;354(55):27e35.
^ "Taller Internacional sobre Baterías Carnot".
^ abc "Baterías de Carnot: almacenamiento de energía de bajo costo e independiente de la ubicación en el rango de gigavatios hora". Centro Aeroespacial Alemán (DLR). 2018.
^ "HANNOVER MESSE (ferias industriales), 23-27 de abril de 2018".
^ abc Josh McTigue (4 de diciembre de 2019). «'Baterías Carnot' para almacenamiento de electricidad» (PDF) . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ "Almacenamiento de energía en batería de Carnot: una solución más rentable y flexible para el almacenamiento de energía a escala de red". Eventos Rushlight. 30 de enero de 2019 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ Steinmann, Wolf-Dieter; Jockenhöfer, Henning; Bauer, Dan (2019). "Análisis termodinámico de conceptos de baterías de Carnot de alta temperatura". Tecnología Energética . 8 (3): 1900895. doi : 10.1002/ente.201900895 . ISSN 2194-4288.
^ "Conservación y almacenamiento de energía (ECES)" . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
^ Laughlin, Robert B. (2017). "Acumulador de red térmica bombeado con intercambio de calor". Revista de Energías Renovables y Sostenibles . 9 (4): 044103. doi : 10.1063/1.4994054 . ISSN 1941-7012.
^ abc Thiele, Elisabeth; Jahnke, Anna; Ziegler, Félix (2020). "Eficiencia del almacenamiento de energía termoquímico Lamm-Honigmann". Progreso de la ingeniería y la ciencia térmica . 19 : 100606. doi : 10.1016/j.tsep.2020.100606. ISSN 2451-9049. S2CID 225010799.
^ "La primera batería Carnot del mundo almacena electricidad en forma de calor". Iniciativa alemana de soluciones energéticas. 20 de septiembre de 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ Jennifer Chu (5 de diciembre de 2018). "'Sol en una caja 'almacenaría energía renovable para la red ". Oficina de noticias del MIT . Consultado el 30 de octubre de 2020 .
^ Santo, Félix; Textor, Michel; Lechner, Stefan (1 de diciembre de 2021). "Conceptos de cogeneración con turbinas de gas para la descarga sin presión de unidades de almacenamiento de energía térmica de alta temperatura". Revista de almacenamiento de energía . 44 : 103283. doi : 10.1016/j.est.2021.103283 . ISSN 2352-152X. S2CID 241770227.
^ W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer y M. Johnson, «Almacenamiento de energía térmica por bombeo (PTES) como tecnología inteligente de acoplamiento sectorial para calor y electricidad», Energía, vol. 183, pág. 185-190, septiembre. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.
^ WD Steinmann, «El concepto CHEST (Almacenamiento de energía térmica comprimida) para el almacenamiento de energía termomecánico a escala de instalaciones», Energía, vol. 69, pág. 543‑552, mayo de 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.
^ A. Koen y PF Antunez, «Cómo se puede utilizar el calor para almacenar energía renovable», The Conversation. http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (consultado el 27 de febrero de 2020).
^ Susan Kraemer (16 de abril de 2019). "Fabricación de baterías de Carnot con almacenamiento de energía térmica de sales fundidas en antiguas plantas de carbón". PACES solares.
^ "Seminario web sobre baterías Carnot" (PDF) . Información sobre ATA. Abril de 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 utilizando una bomba de calor reversible / ciclo Rankine orgánico". Conferencia: 2do Taller Internacional de Baterías Carnot 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
^ "sitio web del proyecto". TU Berlín. Archivado desde el original el 15 de abril de 2021 . Consultado el 15 de abril de 2021 .
enlaces externos
Segundo taller internacional sobre baterías Carnot, Universidad de Stuttgart, 15 y 16 de septiembre de 2020 Archivado el 21 de octubre de 2020 en Wayback Machine.
Taller internacional sobre baterías Carnot, Stuttgart, Alemania, 9 y 10 de octubre de 2018
