Técnicas de almacenamiento de energía térmica

Las tecnologías térmicas directas, aunque almacenan un grado de energía bajo, pueden ser útiles para almacenar energía de sistemas que proporcionan calor como energía nativa (térmica solar o geotermia) o para aplicaciones donde el valor de la comodidad de energía es el calor (calentar, secar).

Aunque las tecnologías de almacenamiento de energía pueden ser caracterizadas por la energía específica y densidades de energía como cualquier otra tecnología de almacenaje, pueden ser también caracterizadas por un parámetro adicional importante: el rango de temperatura de entrega. Diferentes usos finales tienen más o menos tolerancia a amplias oscilaciones de la temperatura de entrega. Así, algunas aplicaciones requieren una alta temperatura de operación que sólo algunos medios de almacenamiento térmico son capaces de almacenar.

El almacenamiento térmico puede clasificarse en dos categorías esenciales: almacenamiento de calor sensible y almacenamiento de calor latente. Las aplicaciones que tienen menos tolerancia a las oscilaciones de temperatura utilizarán una tecnología de calor latente. La entrada y salida desde el almacenamiento de energía térmica se lleva a cabo con intercambiadores de calor. En este artículo hablamos de la elección de materiales de almacenamiento de calor. Los métodos de intercambio de calor variarán ampliamente dependiendo de las propiedades del material de almacenamiento, especialmente su conductividad térmica. Los materiales con conductividad térmica más alta requerirán un área de superficie más pequeña para el intercambio de calor. Para líquidos, la convección o bombeo puede reducir la necesidad de un intercambiador de calor grande. En algunas aplicaciones, el intercambiador de calor es simplemente la interface física de material almacenado con el espacio de aplicación.

Calor sensible

El calor sensible es el calor que está habitualmente asociado con el cambio en temperatura de la masa de una sustancia. La energía calorífica, E_s, almacenada en tal sustancia viene dada por:

Donde c es el calor específico de la sustancia (J/kg ºC) y M es la masa de la sustancia (kg); T₁ y T₂ son las temperaturas inicial y final, respectivamente (ºC). El calor específico c es un parámetro físico medido en unidades de calor por temperatura por masa: sustancias con la capacidad de absorber la energía calorífica con un incremento relativamente pequeño en temperatura (ej. agua) tienen un calor específico alto, mientras que aquellos que se calientan con sólo una pequeña entrada de calor (ej. plomo) tienen un calor específico bajo. El almacenamiento de calor sensible es mejor con materiales que tengan un calor específico alto.

Líquidos

El almacenamiento de calor sensible en un líquido es, con muy pocas excepciones, llevado a cabo con agua. El agua es único entre los químicos teniendo un calor específico anormalmente alto de 4,186 J/kg K, y por lo tanto tiene una densidad razonablemente alta.

Puede ser necesario utilizar líquidos distintos que el agua pueden ser necesarios si la temperatura de entrega debe ser mayor que 100 ºC, o si la temperatura del sistema cae por debajo de 0 ºC. El agua puede elevarse a temperaturas superiores a 100 ºC, pero los costes de los sistemas de almacenamiento capaces de contener las altas presiones asociadas son usualmente prohibitivos. El agua puede ser mezclada con glicol etileno o propileno glicol para incrementar el rango de temperaturas útiles y prevenir la congelación. El agua puede mezclarse con glicol etileno o glicol propileno para incrementar el rango de temperaturas útiles y prevenir la congelación.

Cuando se requiere un rango de temperatura mayor, pueden usarse aceites minerales, sintéticos o de silicona. Las compensaciones para rangos de temperaturas incrementados tienen costes más altos, calor específico más bajo, viscosidad más alta (haciendo el comunicado más difícil), inflamabilidad, y, en algunos casos, toxicidad.

Para rangos de temperatura muy altos, son usualmente preferidas las sales que equilibran un calor específico bajo con una densidad alta y coste relativamente bajo. El nitrato de sodio ha sido ensayado para estos propósitos.

Los sistemas de almacenamiento de calor sensible del líquido están fuertemente caracterizados no solamente por la elección del fluido de transferencia de calor, sino también por la arquitectura del sistema. Los sistemas de dos tanques almacenan los líquidos fríos y calientes en tanques separados (ver siguiente figura).

Los sistemas termoclina pueden tener unos costes particularmente bajos ya que minimizan el volumen del tanque requerido, pero requieren un cuidadoso diseño para prevenir la mezcla del fluido caliente y el frío.

Calor latente

El calor latente es absorbido o liberado por un cambio de fase o una reacción química y ocurre a una temperatura constante. El cambio de fase indica la conversión de una sustancia homogénea entre sus varias fases sólidas, líquidas o gaseosas. El calor latente, E_s, a través de un cambio de fase es:

Donde M es la masa de material sometida a cambio de fase (kg), y l es el calor latente de vaporización (para cambios de fase líquido-gas) o el calor latente de fusión (para cambios de fase sólido-líquido), en J/kgM I es medido en unidades de energía por masa. La conservación de energía dicta que la cantidad de calor absorbido en un cambio de fase dado es igual a la cantidad de calor liberado en el cambio de fase marcha atrás.

Aunque el término cambio de fase se usa aquí para referirse a la congelación y la fusión, muchas fuentes usan el término materiales de cambio de fase o PCMs para referirse a cualquier sustancia almacenando calor latente.

Cambio de fase

Los sistemas de almacenamiento de energía en la práctica basados en cambio de fase de materiales están limitados a cambios de fase sólido-sólido y sólido-líquido. Los cambios implicando fases gaseosas son de poco interés debido al gasto asociado al gas presurizado, y y la dificultad de transferir calor a y del gas.

Los cambios de fase sólido-sólido ocurren cuando un material sólido se reorganiza en una estructura molecular diferente en respuesta a la temperatura.

Hidratación – deshidratación

En este proceso, un compuesto de sales o similar forma una estructura cristalina con agua bajo la temperatura del punto de fusión, y en el punto de fusión el cristal se disuelve en su propia agua de hidratación.

Reacción química

Existen una amplia variedad de reacciones químicas que liberan y absorben calor. La principal característica de esta categoría de tecnologías de almacenamiento de calor latente es la capacidad para operar a temperaturas extremadamente altas, en algunos casos por encima de 900 ºC.

Bibliografía:

·       Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy. Frank Kreith & Roop Mahajan