Almacenamiento de energía térmica estacional

Almacenamiento de calor o frío durante períodos de hasta varios meses

El almacenamiento de energía térmica estacional ( STES ), también conocido como almacenamiento de energía térmica interestacional , ^[1] es el almacenamiento de calor o frío durante períodos de hasta varios meses. La energía térmica se puede recolectar siempre que esté disponible y se puede usar cuando sea necesario, como en la estación opuesta. Por ejemplo, el calor de los colectores solares o el calor residual de los equipos de aire acondicionado se pueden recolectar en los meses cálidos para su uso en calefacción de espacios cuando sea necesario, incluso durante los meses de invierno. El calor residual de los procesos industriales también se puede almacenar y usar mucho más tarde ^[2] o el frío natural del aire de invierno se puede almacenar para el aire acondicionado de verano. ^{[3] [4]}

Los acumuladores STES pueden servir a sistemas de calefacción urbana, así como a edificios individuales o complejos. Entre los acumuladores estacionales utilizados para calefacción, las temperaturas máximas anuales de diseño generalmente están en el rango de 27 a 80 °C (81 a 180 °F), y la diferencia de temperatura que se produce en el almacenamiento a lo largo de un año puede ser de varias decenas de grados. Algunos sistemas utilizan una bomba de calor para ayudar a cargar y descargar el almacenamiento durante parte o la totalidad del ciclo. Para aplicaciones de refrigeración, a menudo solo se utilizan bombas de circulación.

La sorción y el almacenamiento de calor termoquímico se consideran los más adecuados para el almacenamiento estacional debido a la ausencia teórica de pérdida de calor entre la carga y la descarga. ^[5] Sin embargo, los estudios han demostrado que las pérdidas de calor reales en la actualidad suelen ser significativas. ^[6]

Algunos ejemplos de calefacción urbana son la comunidad solar de Drake Landing , donde el almacenamiento en el suelo proporciona el 97 % del consumo anual sin bombas de calor ^[7] , y el almacenamiento en estanque danés con refuerzo ^{[8] .}

Tecnologías STES

Existen varios tipos de tecnología STES que abarcan una amplia gama de aplicaciones, desde pequeños edificios individuales hasta redes de calefacción urbana comunitarias. En general, la eficiencia aumenta y el costo específico de construcción disminuye con el tamaño.

Almacenamiento subterráneo de energía térmica

UTES (almacenamiento de energía térmica subterránea), en el que el medio de almacenamiento puede ser estratos geológicos que van desde tierra o arena hasta lechos rocosos sólidos o acuíferos.
Las tecnologías UTES incluyen:

• ATES ( almacenamiento de energía térmica en acuíferos ). Un almacenamiento ATES está compuesto por un doblete, que suma dos o más pozos en un acuífero profundo que está contenido entre capas geológicas impermeables por encima y por debajo. La mitad del doblete es para la extracción de agua y la otra mitad para la reinyección, por lo que el acuífero se mantiene en equilibrio hidrológico, sin extracción neta. El medio de almacenamiento de calor (o frío) es el agua y el sustrato que ocupa. El edificio del Reichstag de Alemania se ha calentado y enfriado desde 1999 con almacenes ATES, en dos acuíferos a diferentes profundidades. ^[9]
  En los Países Bajos hay más de 1.000 sistemas ATES, que ahora son una opción de construcción estándar. ^{[10] [11]}
  Un sistema significativo ha estado funcionando en el Richard Stockton College (Nueva Jersey) durante varios años. ^[3] ATES tiene un costo de instalación menor que el almacenamiento de energía térmica en pozos (BTES) porque generalmente se perforan menos pozos, pero ATES tiene un costo operativo más alto. Además, para que el ATES sea viable es necesario que existan condiciones subterráneas particulares, incluida la presencia de un acuífero.
• BTES (almacenamiento de energía térmica en pozos). Los almacenes BTES se pueden construir en cualquier lugar donde se puedan perforar pozos y están compuestos de uno a cientos de pozos verticales, normalmente de 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro. Se han construido sistemas de todos los tamaños, incluidos muchos bastante grandes. ^{[12] [13] [14]}
  Los estratos pueden ser de cualquier tipo, desde arena hasta roca dura cristalina, y dependiendo de factores de ingeniería, la profundidad puede ser de 50 a 300 metros (164 a 984 pies). Los espaciamientos han variado de 3 a 8 metros (9,8 a 26,2 pies). Los modelos térmicos se pueden utilizar para predecir la variación estacional de la temperatura en el suelo, incluido el establecimiento de un régimen de temperatura estable que se logra haciendo coincidir las entradas y salidas de calor a lo largo de uno o más ciclos anuales. Los almacenes de calor estacionales de temperatura cálida se pueden crear utilizando campos de pozos para almacenar el calor excedente capturado en verano para aumentar activamente la temperatura de grandes bancos térmicos de suelo para que el calor se pueda extraer más fácilmente (y más barato) en invierno. La transferencia de calor interestacional ^[15] utiliza agua que circula en tuberías incrustadas en colectores solares de asfalto para transferir calor a bancos térmicos ^[16] creados en campos de pozos. Una bomba de calor de fuente terrestre se utiliza en invierno para extraer el calor del banco térmico para proporcionar calefacción de espacios a través de calefacción por suelo radiante . Se obtiene un alto coeficiente de rendimiento porque la bomba de calor comienza con una temperatura cálida de 25 °C (77 °F) del acumulador térmico, en lugar de una temperatura fría de 10 °C (50 °F) del suelo. ^[17] Un BTES que opera en Richard Stockton College desde 1995 a un pico de aproximadamente 29 °C (84,2 °F) consta de 400 pozos de 130 metros (427 pies) de profundidad debajo de un estacionamiento de 3,5 acres (1,4 ha). Tiene una pérdida de calor del 2% en seis meses. ^[18] El límite superior de temperatura para un acumulador BTES es de 85 °C (185 °F) debido a las características de la tubería PEX utilizada para los BHE , pero la mayoría no se acerca a ese límite. Los pozos pueden rellenarse con lechada o agua según las condiciones geológicas, y normalmente tienen una esperanza de vida superior a los 100 años. Tanto un BTES como su sistema de calefacción urbana asociado pueden ampliarse de forma incremental una vez que comience la operación, como en Neckarsulm, Alemania. ^[19]
  Los acumuladores BTES generalmente no perjudican el uso de la tierra y pueden existir debajo de edificios, campos agrícolas y estacionamientos. Un ejemplo de uno de los varios tipos de STES ilustra bien la capacidad de almacenamiento de calor interestacional. En Alberta, Canadá, las casas de la comunidad solar de Drake Landing(en funcionamiento desde 2007), obtienen el 97% de su calor durante todo el año de un sistema de calefacción urbana que se abastece con calor solar de paneles solares térmicos en los techos de los garajes. Esta hazaña, un récord mundial, es posible gracias al almacenamiento de calor entre estaciones en una gran masa de roca nativa que se encuentra debajo de un parque central. El intercambio térmico se produce a través de un conjunto de 144 pozos perforados a 37 metros (121 pies) de profundidad en la tierra. Cada pozo tiene 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro y contiene un intercambiador de calor simple hecho de tubería de plástico de diámetro pequeño, a través del cual circula el agua. No se utilizan bombas de calor. ^{[7] [20]}
• CTES (almacenamiento de energía térmica en cavernas o minas). Los almacenamientos STES son posibles en minas inundadas, cámaras construidas especialmente o depósitos de petróleo subterráneos abandonados (por ejemplo, los extraídos en roca dura cristalina en Noruega), si están lo suficientemente cerca de una fuente de calor (o frío) y un mercado. ^[21]
• Pilotes de energía . Durante la construcción de grandes edificios, los intercambiadores de calor BHE, muy similares a los que se utilizan para los depósitos BTES, se han colocado en espiral dentro de jaulas de barras de refuerzo para pilotes, y luego se ha vertido hormigón en su lugar. Los pilotes y los estratos circundantes se convierten entonces en el medio de almacenamiento.
• GIITS (almacenamiento térmico aislado interestacional geotérmico). Durante la construcción de cualquier edificio con un piso de losa principal, un área de aproximadamente la superficie del edificio que se va a calentar, y de más de 1 m de profundidad, se aísla en los 6 lados, generalmente con aislamiento de celdas cerradas de HDPE . Se utilizan tuberías para transferir energía solar al área aislada, así como para extraer calor según sea necesario. Si hay un flujo interno significativo de agua subterránea, se necesitan acciones correctivas para evitarlo.

Tecnologías de superficie y sobre el suelo

• Almacenamiento en pozo . En muchos sistemas de calefacción urbana daneses se utilizan pozos excavados superficiales y revestidos que se llenan con grava y agua como medio de almacenamiento para el almacenamiento de energía solar. Los pozos de almacenamiento se cubren con una capa de aislamiento y luego con tierra, y se utilizan para la agricultura ^{[ cita requerida ]} u otros fines. Un sistema en Marstal, Dinamarca, incluye un pozo de almacenamiento que se alimenta con calor de un campo de paneles solares térmicos. Inicialmente, proporciona el 20% del calor durante todo el año para el pueblo y se está ampliando para proporcionar el doble de esa cantidad. ^[22] El mayor depósito de almacenamiento en pozo del mundo (200.000 m3 ⁽ 7.000.000 pies cúbicos)) se puso en servicio en Vojens, Dinamarca, en 2015, y permite que el calor solar proporcione el 50% de la energía anual para el sistema de calefacción urbana alimentado con energía solar más grande del mundo . ^{[8] [23] [24] [25] [26]} En estos sistemas daneses, se podría lograr un gasto de capital por unidad de capacidad de entre 0,4 y 0,6 €/kWh. ^[27]
• Almacenamiento térmico a gran escala con agua . Los tanques de almacenamiento de agua STES a gran escala se pueden construir sobre el suelo, aislar y luego cubrir con tierra. ^[28]
• Intercambiadores de calor horizontales . Para instalaciones pequeñas, se puede enterrar un intercambiador de calor de tubo de plástico corrugado en una zanja a poca profundidad para crear un intercambiador de calor horizontal. ^[29]
• Edificios con bermas de tierra . Almacenan calor de forma pasiva en el suelo circundante.
• Tecnología de hidratos de sal . Esta tecnología logra densidades de almacenamiento significativamente más altas que el almacenamiento de calor a base de agua. Ver Almacenamiento de energía térmica: Tecnología de hidratos de sal

Conferencias y organizaciones

El Programa de Conservación de Energía a través del Almacenamiento de Energía (ECES) de la Agencia Internacional de Energía ^{[30] [31]} ha celebrado conferencias mundiales sobre energía trienales desde 1981. Las conferencias se centraron originalmente exclusivamente en STES, pero ahora que esas tecnologías están maduras, también se están cubriendo otros temas como los materiales de cambio de fase (PCM) y el almacenamiento de energía eléctrica. Desde 1985, cada conferencia ha tenido "stock" (para almacenamiento) al final de su nombre; por ejemplo, EcoStock, ThermaStock. ^[32] Se llevan a cabo en varios lugares alrededor del mundo. Las más recientes fueron InnoStock 2012 (la 12.ª Conferencia Internacional sobre Almacenamiento de Energía Térmica) en Lérida, España ^[33] y GreenStock 2015 en Pekín. ^[34] EnerStock 2018 se llevará a cabo en Adana, Turquía, en abril de 2018. ^[35]

El programa IEA-ECES continúa el trabajo del anterior Consejo Internacional para el Almacenamiento de Energía Térmica , que entre 1978 y 1990 tenía un boletín trimestral y que inicialmente estaba patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El boletín se llamó inicialmente Boletín ATES y, después de que el BTES se convirtiera en una tecnología viable, se cambió a Boletín STES. ^{[36] [37]}

Uso de STES para edificios pequeños con calefacción pasiva

Los edificios pequeños con calefacción pasiva suelen utilizar el suelo adyacente al edificio como un depósito de calor estacional de baja temperatura que, en el ciclo anual, alcanza una temperatura máxima similar a la temperatura media anual del aire, y que se reduce para calentar en los meses más fríos. Estos sistemas son una característica del diseño de los edificios, ya que son necesarias algunas diferencias simples pero significativas con respecto a los edificios "tradicionales". A una profundidad de unos 6 m (20 pies) en el suelo, la temperatura es naturalmente estable dentro de un rango durante todo el año, ^[38] si la reducción no excede la capacidad natural de restauración solar del calor. Estos sistemas de almacenamiento funcionan dentro de un rango estrecho de temperaturas de almacenamiento a lo largo de un año, a diferencia de los otros sistemas STES descritos anteriormente para los que se prevén grandes diferencias de temperatura anuales.

En los años 1970 y 1980 se desarrollaron en Estados Unidos dos tecnologías básicas de construcción solar pasiva . Utilizan la conducción directa del calor hacia y desde un suelo aislado térmicamente y protegido de la humedad como método de almacenamiento estacional para la calefacción de espacios, con la conducción directa como mecanismo de retorno del calor. En un método, el "almacenamiento pasivo anual de calor" (PAHS), ^[39] las ventanas y otras superficies exteriores del edificio capturan el calor solar que se transfiere por conducción a través de los pisos, las paredes y, a veces, el techo, hacia el suelo adyacente protegido térmicamente. Cuando los espacios interiores están más fríos que el medio de almacenamiento, el calor se conduce de regreso al espacio habitable. ^{[40] [41]}

El otro método, la “energía solar geotérmica anualizada” (AGS), utiliza un colector solar independiente para captar el calor. El calor recogido se envía a un dispositivo de almacenamiento (suelo, lecho de grava o tanque de agua) de forma pasiva por convección del medio de transferencia de calor (por ejemplo, aire o agua) o de forma activa mediante bombeo. Este método suele implementarse con una capacidad diseñada para seis meses de calefacción.

En todo el mundo se pueden citar algunos ejemplos de la utilización de sistemas de almacenamiento de energía solar térmica: Suffolk One , una universidad de East Anglia (Inglaterra), utiliza un colector térmico formado por tuberías enterradas en la zona de giro de los autobuses para recoger energía solar que luego se almacena en 18 pozos de 100 metros de profundidad cada uno para su uso en calefacción en invierno. La comunidad solar de Drake Landing (Canadá) utiliza colectores solares térmicos en los tejados de los garajes de 52 viviendas, que luego se almacenan en una serie de pozos de 35 metros de profundidad. El suelo puede alcanzar temperaturas superiores a los 70 °C, que luego se utilizan para calentar las casas de forma pasiva. El plan se ha estado ejecutando con éxito desde 2007. En Brædstrup (Dinamarca), se utilizan unos 8.000 metros cuadrados de colectores solares térmicos para recoger unos 4.000.000 kWh/año, que se almacenan de forma similar en una serie de pozos de 50 metros de profundidad.

Ingeniería de líquidos

El arquitecto Matyas Gutai ^[42] obtuvo una subvención de la UE para construir una casa en Hungría ^[43] que utiliza paneles de pared llenos de agua como colectores de calor y depósitos con tanques de almacenamiento de agua de calor subterráneos. El diseño utiliza control por microprocesador.

Edificios pequeños con tanques de agua STES internos

En varias casas y pequeños edificios de apartamentos se ha demostrado que se puede combinar un gran tanque de agua interno para almacenar calor con colectores solares térmicos montados en el techo. Las temperaturas de almacenamiento de 90 °C (194 °F) son suficientes para suministrar agua caliente sanitaria y calefacción. La primera casa de este tipo fue la MIT Solar House #1, en 1939. En 1989 se construyó un edificio de apartamentos de ocho unidades en Oberburg , Suiza , con tres tanques que almacenan un total de 118 ^m3 (4167 pies cúbicos) que almacenan más calor del que necesita el edificio. Desde 2011, ese diseño se está replicando en edificios nuevos. ^[44]

En Berlín , en 1997 se construyó la «Casa de energía de calefacción cero», como parte del proyecto de demostración de viviendas de bajo consumo de energía de la IEA Task 13. Almacena agua a temperaturas de hasta 90 °C (194 °F) dentro de un tanque de 20 m3 ⁽ 706 pies cúbicos) en el sótano . ^[45]

En Irlanda , en 2009, se construyó un prototipo similar. El acumulador solar estacional ^[46] consiste en un tanque de 23 m3 (812 pies cúbicos) lleno de agua [47], ^{que se} instaló en el suelo, con un fuerte aislamiento en todo su perímetro, para almacenar el calor de los tubos solares evacuados durante el año. El sistema se instaló como experimento para calentar la primera casa pasiva prefabricada estandarizada del mundo ^[48] en Galway, Irlanda . El objetivo era averiguar si este calor sería suficiente para eliminar la necesidad de electricidad en la casa, que ya era altamente eficiente, durante los meses de invierno.

Gracias a las mejoras en los acristalamientos, ahora es posible construir edificios con calefacción cero sin almacenamiento de energía estacional.

Uso de STES en invernaderos

El STES también se utiliza ampliamente para la calefacción de invernaderos. ^{[49] [50] [51]} ATES es el tipo de almacenamiento que se utiliza comúnmente para esta aplicación. En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea, bombeada desde el "pozo frío" en el acuífero. El agua se calienta en el proceso y se devuelve al "pozo cálido" en el acuífero. Cuando el invernadero necesita calor, como para extender la temporada de crecimiento, el agua se extrae del pozo cálido, se enfría mientras cumple su función de calefacción y se devuelve al pozo frío. Este es un sistema muy eficiente de enfriamiento gratuito , que utiliza solo bombas de circulación y no bombas de calor.

Energía geosolar anualizada

La energía geosolar anualizada (AGS) permite la calefacción solar pasiva incluso en zonas templadas del norte frías y con niebla. Utiliza el suelo debajo o alrededor de un edificio como masa térmica para calentarlo y enfriarlo. Después de un retraso térmico conductivo diseñado de 6 meses, el calor se devuelve a los espacios habitados del edificio o se elimina de ellos. En climas cálidos, exponer el colector al cielo nocturno gélido en invierno puede enfriar el edificio en verano.

El desfase térmico de seis meses se consigue con unos tres metros (diez pies) de tierra. Una capa de aislamiento enterrada de seis metros (20 pies) de ancho alrededor del edificio evita que la lluvia y la nieve derretidas entren en contacto con la tierra, que suele estar debajo del edificio. La tierra produce calefacción y refrigeración radiantes a través del suelo o las paredes. Un sifón térmico mueve el calor entre la tierra y el colector solar. El colector solar puede ser un compartimento de chapa metálica en el techo o una caja ancha y plana en el lateral de un edificio o una colina. Los sifones pueden estar hechos de tubos de plástico y transportar aire. El uso de aire evita las fugas de agua y la corrosión provocada por el agua. Las tuberías de plástico no se corroen en la tierra húmeda, como pueden hacerlo los conductos de metal.

Los sistemas de calefacción AGS generalmente constan de:

• Un espacio habitable muy bien aislado, energéticamente eficiente y ecológico;
• Calor capturado en los meses de verano desde un subtecho o ático calentado por el sol, un solarium o invernadero , un colector termosifón de placa plana en el suelo u otro dispositivo de recolección de calor solar;
• El calor se transporta desde la fuente de recolección hacia (normalmente) la masa de tierra debajo del espacio habitable (para su almacenamiento), esta masa está rodeada por una "capa" o "paraguas" perimetral subterránea que proporciona tanto aislamiento contra la fácil pérdida de calor hacia el aire exterior como una barrera contra la migración de humedad a través de esa masa de almacenamiento de calor;
• Un piso de alta densidad cuyas propiedades térmicas están diseñadas para irradiar calor nuevamente hacia el espacio habitable, pero solo después del lapso de tiempo regulado por el aislamiento del contrapiso;
• Un esquema o sistema de control que activa ventiladores y compuertas (a menudo alimentados por energía fotovoltaica) cuando se detecta que el aire de la estación cálida es más caliente en las áreas de recolección que en la masa de almacenamiento, o permite que el calor se mueva a la zona de almacenamiento por convección pasiva (a menudo utilizando una chimenea solar y compuertas activadas térmicamente ).

Por lo general, se necesitan varios años para que la masa de tierra almacenada se precaliente por completo desde la temperatura del suelo en profundidad local (que varía ampliamente según la región y la orientación del sitio) hasta un nivel óptimo en otoño en el que puede proporcionar hasta el 100% de las necesidades de calefacción del espacio habitable durante el invierno. Esta tecnología continúa evolucionando y se están explorando diversas variaciones (incluidos los dispositivos de retorno activo). La lista de correo donde se discute esta innovación con más frecuencia es "Organic Architecture" en Yahoo.

Este sistema se utiliza casi exclusivamente en el norte de Europa. Se ha construido un sistema en Drake Landing , en América del Norte. Un sistema más reciente es una casa de consumo energético neutro que se construye por uno mismo en Collinsville, Illinois, que se basará únicamente en energía solar anualizada para el acondicionamiento.

Véase también

• Calefacción solar central
• Calefacción urbana
• Energía geosolar
• Casa de hielo (edificio)
• Estanque de hielo
• Lista de proyectos de almacenamiento de energía
• Estanque solar
• Colector solar térmico
• Almacenamiento de energía térmica
• Edificio de energía cero
• Edificio con calefacción cero

Referencias

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46. "Scandinavian Homes - Investigación - Proyecto de almacenamiento solar estacional con la Universidad del Ulster". www.scanhome.ie .
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50. Turgut B., Dasgan HY, Abak K., Paksoy H., Evliya H., Bozdag S. (2008). Aplicación del almacenamiento de energía térmica en acuíferos en la climatización de invernaderos. Simposio internacional sobre estrategias para la sostenibilidad de los cultivos protegidos en climas de invierno templado. También: EcoStock 2006. págs. 143-148.
51. Véase la diapositiva 15 de Snijders (2008), arriba.

Enlaces externos

• Informes de investigación del Departamento de Energía (DOE) sobre EERE
• Diciembre de 2005, instalación de un acumulador térmico estacional en un ENERGETIKhaus100
• Octubre de 1998, informe de investigación de Fujita
• Notas de la Tierra: Tanque de almacenamiento térmico de leche con bomba de calor
• Heliostatos utilizados para concentrar energía solar (fotos)
• Edificio ecológico Wofati con inercia térmica anualizada