El aire acondicionado con almacenamiento de hielo es el proceso de utilizar hielo para almacenar energía térmica . El proceso puede reducir la energía utilizada para refrigeración durante los períodos de máxima demanda eléctrica . [1] Las fuentes de energía alternativas, como la solar, también pueden utilizar la tecnología para almacenar energía para su uso posterior. [1] Esto es práctico debido al gran calor de fusión del agua : una tonelada métrica de agua (un metro cúbico) puede almacenar 334 megajulios (MJ) (317.000 BTU ) de energía, equivalente a 93 kWh (26,4 toneladas-hora). [2]
La definición original de una " tonelada de capacidad de refrigeración " (flujo de calor) era el calor necesario para derretir una tonelada de hielo en un período de 24 horas. Este flujo de calor es lo que se esperaría en una casa de 3000 pies cuadrados (280 m 2 ) en Boston en el verano. Esta definición ha sido reemplazada desde entonces por unidades menos arcaicas: una tonelada de capacidad de HVAC o refrigeración es aproximadamente equivalente a 3520 Watts . Una pequeña instalación de almacenamiento puede contener suficiente hielo para enfriar un edificio grande de un día a una semana, ya sea que ese hielo se produzca mediante enfriadores de amoníaco anhidro .
También se puede utilizar la congelación del suelo ; esto puede hacerse en forma de hielo donde el suelo está saturado. Los sistemas también funcionan con roca pura. Dondequiera que se forme hielo, no se utiliza el calor de fusión de la formación de hielo, ya que el hielo permanece sólido durante todo el proceso. El método basado en la congelación del suelo se utiliza ampliamente en minería y construcción de túneles para solidificar el suelo inestable durante las excavaciones. El suelo se congela utilizando pozos con tuberías concéntricas que transportan salmuera desde un enfriador en la superficie. El frío se extrae de una manera similar utilizando salmuera y se utiliza de la misma manera que para el almacenamiento de hielo convencional, normalmente con un intercambiador de calor de salmuera a líquido, para llevar las temperaturas de trabajo hasta niveles utilizables en volúmenes mayores. El suelo congelado puede permanecer frío durante meses o más, lo que permite el almacenamiento en frío durante períodos prolongados con un costo de estructura insignificante. [3] [4]
Reemplazar los sistemas de aire acondicionado existentes con almacenamiento de hielo ofrece un método de almacenamiento de energía rentable, que permite almacenar el excedente de energía eólica y otras fuentes de energía intermitentes similares para su uso en refrigeración en un momento posterior, posiblemente meses después.
Antes de la llegada de la refrigeración mecánica, el hielo se extraía de lagos o ríos congelados y se transportaba a las ciudades para usarlo como refrigerante. [5] El hielo se transportaba y almacenaba durante todo el año en depósitos de hielo . Si no había una fuente de hielo de fácil acceso, se solían construir estanques poco profundos y sombreados cerca y se retiraba el hielo de ellos durante la temporada de heladas.
La forma más utilizada de esta tecnología se puede encontrar en los sistemas de aire acondicionado o de agua fría de los campus universitarios de los grandes edificios. Los sistemas de aire acondicionado, especialmente en los edificios comerciales, son los que más contribuyen a las cargas eléctricas máximas que se observan en los días calurosos de verano en varios países. En esta aplicación, un enfriador estándar funciona por la noche para producir una pila de hielo. Luego, el agua circula por la pila durante el día para producir agua fría que normalmente sería la salida diurna del enfriador.
Un sistema de almacenamiento parcial minimiza la inversión de capital al hacer funcionar los enfriadores casi las 24 horas del día. Por la noche, producen hielo para almacenar y durante el día enfrían agua para el sistema de aire acondicionado. El agua que circula a través del hielo derretido aumenta su producción. Un sistema de este tipo suele funcionar en modo de fabricación de hielo durante 16 a 18 horas al día y en modo de derretimiento de hielo durante seis horas al día. Los gastos de capital se minimizan porque los enfriadores pueden tener solo un 40 a 50% del tamaño necesario para un diseño convencional. Un almacenamiento de hielo suficiente para almacenar el calor rechazado de medio día suele ser suficiente.
Un sistema de almacenamiento completo minimiza el costo de energía para operar ese sistema al apagar por completo los enfriadores durante las horas de carga máxima. El costo de capital es mayor, ya que un sistema de este tipo requiere enfriadores un poco más grandes que los de un sistema de almacenamiento parcial y un sistema de almacenamiento de hielo más grande.
La eficiencia de los enfriadores de aire acondicionado se mide por su coeficiente de rendimiento (COP). En teoría, los sistemas de almacenamiento térmico podrían hacer que los enfriadores sean más eficientes porque el calor se descarga en el aire más frío de la noche en lugar de en el aire más cálido del día. En la práctica, la pérdida de calor supera esta ventaja, ya que derrite el hielo.
Se ha demostrado que el almacenamiento térmico de los sistemas de aire acondicionado tiene ciertos beneficios para la sociedad. La electricidad en horas valle es más barata, ya que la demanda es menor. También reduce la demanda en horas punta, que a menudo se abastece con fuentes costosas y poco respetuosas con el medio ambiente.
Una nueva versión de esta tecnología utiliza hielo como medio de condensación del refrigerante . En este caso, el refrigerante normal se bombea a serpentines donde se utiliza. Sin embargo, en lugar de necesitar un compresor para convertirlo nuevamente en líquido, se utiliza la baja temperatura del hielo para enfriar el refrigerante y convertirlo nuevamente en líquido. Este tipo de sistema permite que los equipos de HVAC basados en refrigerantes existentes se conviertan en sistemas de almacenamiento de energía térmica, algo que antes no se podía hacer fácilmente con la tecnología de agua helada. Además, a diferencia de los sistemas de agua helada enfriados por agua que no experimentan una gran diferencia en la eficiencia del día a la noche, esta nueva clase de equipo generalmente desplaza el funcionamiento diurno de las unidades condensadoras enfriadas por aire. En áreas donde hay una diferencia significativa entre las temperaturas máximas durante el día y las temperaturas fuera de las horas pico, este tipo de unidad suele ser más eficiente energéticamente que el equipo al que reemplaza. [6]
El almacenamiento de energía térmica también se utiliza para enfriar la entrada de aire de la turbina de gas de combustión . En lugar de trasladar la demanda eléctrica a la noche, esta técnica traslada la capacidad de generación al día. Para generar hielo durante la noche, la turbina suele estar conectada mecánicamente al compresor de un enfriador de gran tamaño. Durante las cargas máximas diurnas, se hace circular agua entre la pila de hielo y un intercambiador de calor frente a la entrada de aire de la turbina, enfriando el aire de entrada a temperaturas cercanas al punto de congelación. Como el aire es más frío, la turbina puede comprimir más aire con una cantidad determinada de potencia del compresor. Normalmente, tanto la energía eléctrica generada como la eficiencia de la turbina aumentan cuando se activa el sistema de enfriamiento de entrada. Este sistema es similar al sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido .