Almacenadores de Calor

Almacenamiento de Calor: ¿Es el agua la mejor opción?

 

Entre todos los métodos de almacenamiento de energía, el almacenamiento de energía térmica (TES, por sus siglas en inglés) es uno de los sistemas más económicos en aplicaciones prácticas. Se espera que el mercado mundial de almacenamiento de energía térmica valga más de 12.000 millones de dólares en 2025. El almacenamiento de energía térmica es realmente un tema que merece un curso completo por sí solo y puede convertirse en una carrera completa para un ingeniero térmico. En este curso, le presentaremos algunas de las posibilidades más prometedoras que se han empleado con éxito, ya sea comercial o experimentalmente. El desarrollo y la penetración del mercado de almacenamiento térmico varía considerablemente según la ubicación y la aplicación. Está particularmente avanzado en California, EE. UU. Y Ontario, Canadá. La inserción en el sector de la construcción es comparativamente lenta en Europa, donde la construcción de nuevos edificios es de alrededor del 1,3% anual y la tasa de renovación es de alrededor del 1,5%; Por supuesto, la integración de los sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES) es más fácil durante la construcción. La estimación del potencial europeo se basa en una tasa de implementación de sistemas TES en edificios del 5% el cual podría ser mayor en países emergentes con altas tasas de construcción nueva. El potencial de TES para cogeneración y calefacción urbana también está asociado con el parque de edificios. La tasa de implementación de la cogeneración es del 10,2%, mientras que se supone que la implementación de TES en estos sistemas es del 15% [18]. En cuanto a TES para aplicaciones energéticas, un sector impulsor es la energía solar de concentración en la que casi todas las centrales eléctricas nuevas en operación o en construcción están equipadas con sistemas TES, en su mayoría basados ​​en sales fundidas. Para sistemas complejos como almacenamiento de calor latente y almacenamiento de productos químicos, aún se necesita más I + D para comprender la integración del sistema y los parámetros del proceso, así como para mejorar los materiales utilizados.

Según un proyecto conjunto de IEA SHC / IEA ECES, “Para el 2050, la demanda de calor podría ser casi 5 veces mayor que la de electricidad, creando una necesidad urgente de hacer uso de todas las tecnologías de almacenamiento de energía térmica a nuestra disposición”. “Si se utiliza un sistema de almacenamiento estacional con un ciclo al año en el sector de la construcción, los costos deben ser inferiores a 1 EUR / kWh de capacidad y, de hecho, los grandes sistemas de almacenamiento de calor sensible en Dinamarca están en el rango de 0,4 EUR / kWh”. Si la aplicación es industrial y requiere un ciclo de almacenamiento diario, los costos oscilan entre 20 EUR / kWh y 30 EUR / kWh de capacidad.

El agua se utiliza normalmente para almacenar calor en sistemas solares térmicos a escala de edificios. El agua tiene una alta densidad de calor en comparación con otros materiales, y también es buena para transportar el calor a un uso final, por lo que puede ser tanto el medio de almacenamiento de calor como el medio de transferencia de calor, lo que simplifica el sistema. Sin embargo, el volumen de agua necesario para almacenar calor de verano a invierno para calentar una casa a menudo puede ser impracticablemente grande si es el único medio de almacenamiento de calor. Existen métodos más eficientes (con mayor densidad volumétrica) para almacenar calor, y algunos que también pueden ser de menor costo, aunque implican una mayor complejidad del sistema. Para almacenamiento a largo plazo (temporada tras temporada), o para sistemas de gran escala, estos otros métodos a veces valen la pena.

En Energía Solar I, aprendimos que el principio de integración suele ser más eficaz que el principio de eficiencia localizada. Esto es válido para el almacenamiento de calor a escala de edificios individuales. Si se puede usar una parte del edificio que debe construirse de todos modos para el almacenamiento de calor, entonces la integración da dos funciones, por no mucho más que el costo de una. Aquí hay algunos ejemplos:

  • PAREDES DE ADOBE: un método de construcción tradicional donde se usa barro / arcilla para almacenar calor. El barro con alto contenido de arcilla (adobe), de bajo costo y disponible localmente, se usa tradicionalmente en climas desérticos. Esto se debe a que, a un cierto espesor, el muro de adobe funciona para almacenar calor desde el día hasta la noche, el calor entra a la superficie exterior directamente del sol, y el tiempo que tarda ese calor en transitar desde la superficie exterior a la superficie interior equivale a unas 12 horas: 1/2 día. Por tanto, todo el calor absorbido por la luz del día se emite al interior del edificio durante la noche. En un clima desértico, donde hace calor durante el día y frío por la noche, esto funciona muy bien para regular la temperatura dentro de un edificio. El truco para el almacenamiento más eficiente es hacer el espesor adecuado según el tipo particular de barro utilizado para hacer la pared de adobe: cada tipo de adobe tiene una velocidad de transferencia de calor diferente, por lo que la gente depende del conocimiento tradicional local para saber qué tan grueso debe ser el adobe local.

 

  • PAREDES Y PISOS DE HORMIGÓN: Un muro de hormigón sólido tiene una capacidad significativa de almacenamiento de calor. Se podría aplicar el mismo principio que se utiliza con adobe. Sin embargo, el espesor requerido puede ser caro, ya que es mucho mayor que el requerido para la resistencia estructural. En cambio, es más práctico agregar otros materiales a la mezcla de concreto, que eleven la densidad de masa térmica.

 

  • RELLENOS DE HORMIGÓN: Se han probado varias formas de añadir masa térmica al hormigón:
    • En la Universidad Danish Technical University,a través de experimentos se ha logrado obtener una transmisión similar a la de adobe con una pared de concreto de espesor normal añadiendo metal molido de autos chatarra como relleno.
    • El Instituto Politécnico Italia de Turín ha descubierto que la adición de determinadas sales al hormigón puede aumentar drásticamente el almacenamiento térmico, debido a una reacción de desorción / hidratación que almacena y luego libera calor. ¡Este ciclo puede ser impulsado por calentamiento solar y vapor de agua en el aire!
    • Placa de pared con material de cambio de fase (PCM) agregado al yeso se puede unir a la superficie interior de una pared de concreto. Este material almacena calor según la temperatura; es decir, cuando la temperatura interior cae por debajo de un umbral, el material del tablero de la pared cambia de fase y libera el calor almacenado, regulando así la temperatura interna.

 

  • PISOS ALMACENADORES DE CALOR: Pueden utilizar directamente la luz solar, o indirectamente, utilizando fluido caloportador.
    • En Nueva Zelanda, se han construido casas ecológicas que almacenan el calor solar en el suelo durante el día y lo liberan durante la noche. una gran pared-ventana acristalada que da al sol con cortinas que pueden cerrarse durante el verano y abrirse durante el invierno permite a los ocupantes exponer selectivamente el suelo a la luz solar. el suelo puede ser de terrazo sobre hormigón para aportar belleza y masa térmica. Además, se debe usar aislamiento debajo y alrededor de los bordes del concreto para que este sistema sea eficiente.
    • La calefacción hidrónica por suelo radiante utiliza la masa del suelo para transferir calor a un edificio. Según el tipo de construcción de suelo, se ofrecen distintos tiempos de tránsito y, por tanto, de almacenamiento. Al diseñar suelos con varias horas de tiempo de tránsito en la composición del piso, se puede reducir o eliminar la cantidad de almacenamiento de calor a base de agua requerido para cualquier carga de calor nocturna.

 

  • CAMAS DE ARENA PARA ALMACENAMIENTO DEL CALOR: Algunas casas se han construido con camas de arena debajo del piso como compartimiento de almacenamiento de calor. La arena tiene realmente solo dos cualidades ventajosas como material de almacenamiento de calor: es barata y no se degrada, incluso a altas temperaturas. Por otra parte, es un mal conductor de calor y requiere un intercambiador de calor muy grande para extraer el calor o poner calor en ella. Tiene una baja eficiencia volumétrica, por lo que es necesario un volumen muy grande para almacenar suficiente calor para el almacenamiento estacional. Si la casa tiene un gran sótano y se planea que el área esté bien aislada de todos modos, entonces, el factor de costo comienza a verse atractivo. Solo asegúrese de calcular el tamaño del intercambiador de calor necesario y su costo antes de decidir seguir adelante con una cama de almacenamiento de arena.
Esquema de sistema con almacenamiento de calor de arena
Esquema de sistema con almacenamiento de calor de Cama de Arena
  • ALMACENAMIENTO DE CALOR A GRAN ESCALA: Se utiliza para grandes plantas de energía solar que acumulan calor usando cientos de colectores solares. Una parte de este calor se utiliza durante el día para impulsar un conjunto de turbina-generador de vapor. el resto se almacena para su uso por la noche, de modo que la turbina-generador pueda funcionar hasta 24 horas al día cuando sea necesario. En esta aplicación, el volumen de almacenamiento de calor será bastante grande. Por lo tanto, la eficiencia volumétrica se vuelve muy importante y el costo del material de almacenamiento de calor se vuelve menos importante. Esto se debe a que a medida que los tanques de almacenamiento aumentan de volumen, el costo de los tanques en sí, así como el aislamiento alrededor de los tanques, aumenta mucho. Entonces, en estos casos, los diseñadores de almacenamiento de calor buscan materiales con mayor eficiencia que el agua, el adobe o el concreto. Se utilizan tres enfoques principales.
    • Para plantas de energía pequeñas y para sistemas de enfriamiento solar, los ingenieros tienden a usar el mismo aceite térmico que transfiere el calor (fluido de transferencia de calor o HTF) de los colectores al supercalentador de vapor como medio de almacenamiento, guardando grandes cantidades de aceite calentado durante el día para uso nocturno. Cuando se utiliza como medio de almacenamiento térmico, el aceite térmico puede permanecer en fase líquida a temperaturas de hasta 350–400 ° C con propiedades térmicas estables, mucho más altas que el agua líquida. Esto significa que el aceite térmico puede almacenar más energía térmica que el agua en función del rango de operación de temperatura más amplio. También significa que el aceite térmico se puede utilizar para impulsar enfriadores de absorción, que requieren una entrada de calor de al menos 120ºC y son más eficientes a 180ºC. En comparación con el agua, el aceite térmico también tiene una presión de vapor más baja, lo que es ventajoso para el diseño mecánico de las tuberías y los tanques. A diferencia de las sales fundidas, el aceite térmico no se congela durante la noche en tuberías por lo que no necesita ningún sistema anticongelante. Sin embargo, el costo del aceite térmico es más alto que el del agua o las sales fundidas, y el aislamiento de los tanques y las tuberías debe ser robusto, lo que también agrega costos.
    • En algunos lugares, hay material sólido disponible localmente de forma gratuita y mucho terreno para una gran instalación de almacenamiento, y esto sugiere su uso para almacenamiento de “calor sensible” (basado únicamente en la diferencia de temperatura a medida que se calientan). Además, para aplicaciones de alta temperatura, los materiales de almacenamiento de “calor sensible” (sólidos) son los materiales TES más utilizados, debido a su estabilidad térmica relativamente buena, rendimiento de transferencia de calor y propiedades de transporte. Sin embargo, en comparación con el almacenamiento de calor latente, el calor específico de los materiales de almacenamiento de calor sensible es 50-100 veces más pequeño, lo que genera la necesidad de grandes volúmenes o cantidades para proporcionar la cantidad de almacenamiento de energía necesaria para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura. El otro problema principal del almacenamiento de calor sensible es que la temperatura del medio de almacenamiento disminuye durante el proceso de descarga, por lo que la temperatura del HTF también disminuye con el tiempo.
    • Para las plantas de energía solar de concentración (CSP) más grandes, la sal fundida es actualmente uno de los materiales TES más utilizados. En comparación con otros materiales de almacenamiento de calor líquido, las sales fundidas tienen un costo relativamente bajo, alta densidad de almacenamiento de energía, excelente estabilidad térmica, baja viscosidad y no son inflamables. Las sales fundidas en estado líquido se pueden operar a altas temperaturas de varios cientos de grados centígrados mientras que su presión de vapor es mucho más baja que la del agua, por lo que es muy adecuado para plantas CSP de alta temperatura y, a menudo, más económico para plantas de energía de más de 3 megavatios.

P: ¿Se puede usar sal fundida para almacenar energía en construcciones?

No en forma pura. Los componentes de las sales fundidas puras tienen un punto de fusión superior a 200 ° C, lo que no es práctico para su aplicación con colectores solares térmicos no concentrados que se utilizan en edificios. Sin embargo, algunas sales se pueden mezclar con otros materiales para producir un punto de fusión más bajo para que pueda almacenar energía. Se ha propuesto una nueva serie de mezclas de sales ternarias con temperaturas de fusión ultra-bajas, 76 ° C, 78 ° C u 80 ° C, y pueden evitar la solidificación a bajas temperaturas para permitir que los sistemas TES sean adecuados para aplicaciones más amplias. La sal fundida también tiene varios inconvenientes que limitan su aplicación: baja conductividad térmica, cambio de volumen durante la fusión y corrosividad.

 P: ¿Se pueden usar materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) para el almacenamiento de energía en construcciones?

¡Si! Los productos ya están disponibles en el mercado. El almacenamiento de calor latente que utiliza PCM es una técnica alternativa de TES, en comparación con el almacenamiento de calor sensible, que reduce el volumen de materiales necesarios hasta 10 veces, los PCM son especialmente útiles cuando pueden combinar las funciones duales de regulación de temperatura y almacenamiento de energía. Sin embargo, ha habido problemas con la degradación de los materiales PCM en el tiempo, los desarrollos recientes para contrarrestar esto incluyen microencapsulación y compuestos. Aquí revisamos algunos compuestos (aún experimentales):

PCMs Compuestos son las mezclas que se preparan mediante la adición de partículas de carbono, grafito o metales de alta conductividad térmica en una matriz de PCM. Aunque el nanocompuesto tiene menos capacidad para almacenar calor, tiene una mayor capacidad para conducir el calor y puede ser más estable durante períodos prolongados. Por ejemplo, un nanocompuesto a base de grafito tiene 12 veces la conductividad térmica que el ácido esteárico puro. El grafito se puede aplicar como mejora de la transferencia térmica en varias formas; escamas de grafito (grafito natural), grafito natural expandido o polvo de grafito expandido (50–500 nm). El grafeno expandido es uno de los materiales de soporte de PCM más prometedores debido a su extraordinaria conductividad térmica. La dispersión de solo un 2% de grafeno expandido en sales de nitrato binario que consisten en NaNO3 y KNO3 (mezcla 6: 4) mejora la conductividad térmica a 4,9 W / mK y reduce el calor latente en solo un 11%. También sabemos que el uso de grafeno expandido en sales fundidas puede prevenir goteras después del cambio de fase a estado líquido. Por otra parte, el grafeno expandido, un aditivo altamente conductor de grafito natural expandido tratado con ácido sulfúrico que se introduce en sal binaria, mezcla de nitrato de KNO3 / NaNO3. Esta combinación establece una matriz de transferencia de calor efectiva para una transferencia de calor más eficiente. Los resultados mostraron que se ha mejorado la conductividad térmica y que la conductividad térmica efectiva más alta es de aproximadamente 50,8 W/mK, casi 110 veces mayor que la conductividad térmica del polvo de sal. Se observó una ligera disminución del calor latente a partir de las mediciones sin una variación obvia en la temperatura de cambio de fase. Se pueden aplicar varios tipos de nanopartículas como potenciadores de la conductividad térmica, incluidas nanoestructuras a base de carbono, metales, partículas de óxido de aluminio de diferentes tamaños y nanocables de plata.

Encapsulación de PCM: la morfología de las partículas (tamaño y forma de partícula) se ha identificado como un factor de influencia clave en la estabilidad térmica y química y la resistencia mecánica de los PCM encapsulados. En general, un método de polimerización in situ parece proporcionar el mejor enfoque para lograr la eficiencia de encapsulación y la integridad estructural del material del núcleo.

Productos PCM

Actualmente existen una serie de gamas de PCM, así como productos de construcción que incorporan PCM listos para su uso en edificios disponibles. Dado que este es un curso de alcance internacional y estos productos son bastante nuevos, no podemos decirle qué productos están disponibles en su país. Además, siempre se debe ser cuidadoso al obtener información sobre el período de garantía de los fabricantes antes de comprar productos, ya que los edificios deben durar mucho tiempo. A continuación, se enumeran algunos productos y productos semielaborados para la industria de la construcción que pueden ser adecuados para sus diseños:

Micronal es un producto semielaborado de BASF, que consiste en perlas de parafina encapsuladas en un polímero. Las microcápsulas tienen aproximadamente 5 micras de diámetro y se pueden incorporar en yeso, cartón yeso y hormigón. Micronal tiene un calor de fusión de 100 kJ / kg. La temperatura de fusión es de 23 ° C. www.micronal.de

Maxit Clima también es un producto de BASF y un ejemplo de un producto de construcción que incorpora un PCM. Es un yeso en spray en el que se incorpora Micronal. Estas perlas de parafina aumentan la masa térmica del yeso. Una pared con Maxit Clima de 3 cm posee la misma masa térmica que una pared de hormigón de 8 cm de espesor o una pared de cartón-yeso de 13 cm sin PCM.

ThermalCore es una plancha de yeso que contiene Micronal. National Gypsum fabrica la plancha principalmente para uso en paredes en viviendas. El PCM en el tablero aplana los picos de temperatura durante el ciclo día / noche, manteniendo así la sala de estar en la zona de confort. Influencia del PCM en una pared de cartón-yeso ThermalCore sobre el gradiente de temperatura en una sala de estar: www.thermalcore.info

Al igual que Micronal, Thermusol es un producto semielaborado. El PCM en las perlas no es cera de parafina, pero en este caso es un hidrato de sal. El fabricante / proveedor Salca, Ootmarsum en los Países Bajos, ofrece tres tipos de Thermusol como parte de la gama de productos estándar: HD28, HD32 y HD60 con temperaturas de fusión de 28, 32 y 60 ° C. El calor de fusión es respectivamente 110, 150 y 160 kJ / kg. A pedido, Thermusol se puede producir con temperaturas de fusión en el rango de 5-90 ° C.

La propia Salca ha utilizado Thermusol en dos productos completos para la industria de la construcción:

K-Block: una estera de dos capas de material fibroso para absorber (exceso) calor. Esto se puede dejar suelto en el techo del sistema o contra el interior de un techo. www.salcabv.nl

Thermupod: almohadillas para aumentar la capacidad de almacenamiento de calor de un recipiente intermedio, por ejemplo. www.salcabv.nl www.salcabv.nl

Plancha de yeso PCM: Placa de yeso PCM de Knauf PCM Smartboard disponible para aplicaciones de construcción de paneles de yeso con una fracción de masa de PCM de alrededor del 30% con un espesor de capa de 15 mm. Rango de fusión disponible: 23 ° C y 26 ° C; capacidad de calor latente alrededor de 90Wh / m2; fabricación y distribución: Knauf Gips KG

Techos climáticos Autarkis constan de paneles de polipropileno que encapsulan los PCM. La temperatura de fusión del PCM es de 21 ° C. Los paneles se montan como “islas” en un techo fijo. Las islas PCM luego regulan la refrigeración, calefacción y ventilación de la habitación. www.autarkis.nl

Pisos climáticos de Autarkis, con sede en Almere en los Países Bajos, también son paneles PCM. El 50% de la superficie del suelo puede equiparse con estos paneles, ahorrando un 50% en la capacidad de absorción de calor de la estructura del suelo. www.autarkis.nl

Energain es un panel de pared de Dupont. Está acabado con un laminado de aluminio. El núcleo consta de copolímeros con un PCM de parafina. La temperatura de fusión es de 22 ° C y la temperatura de solidificación de 18 ° C. El calor específico de fusión es de 515 kJ / m2. El panel es relativamente delgado (5,26 mm) combinado con un peso reducido (4,5 kg / m2). http://energain.co.uk

Delta Cool 24 ha sido desarrollado por Cosella-Dörken para proporcionar un mayor confort térmico en espacios de oficina, especialmente para refrigeración (extra) con altas cargas de calor interno, como suele ocurrir en las oficinas. Los elementos, 610 x 610 x 71 mm, están hechos de polímeros y PCM. La temperatura de fusión es de 22-28 ° C y la temperatura de solidificación es de 22 ° C. El calor específico de fusión es 158 kJ / kg. Eso equivale a una capacidad de enfriamiento de hasta 44 Wh / kg. www.cosella-dorken.com

Sistemas de superficie con control de temperatura: para enfriamiento de techo con PCM: www.ilkazell.de

Para más información y estudio del Almacenamiento de Energía Térmica, lo remitimos a nuestra biblioteca, donde tenemos un capítulo específico sobre este tema, así como varios reportes de investigaciones.