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.
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, Es, 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, Es, 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
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