Que é o almacenamento de enerxía térmica?

O almacenamento de enerxía térmica (TES) é unha tecnoloxía que permite almacenar e liberar calor ou frío nun momento posterior. TES pódese utilizar para equilibrar a oferta e a demanda de enerxía, especialmente a partir de fontes renovables como solar e vento, que son intermitentes e variables. TES tamén pode mellorar a eficiencia enerxética de edificios, industrias e centrais eléctricas, reducindo a carga máxima e mellorando o rendemento dos sistemas de calefacción e refrixeración. TES pode axudar a reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro, reducir os custos enerxéticos e aumentar a fiabilidade e a resistencia dos sistemas enerxéticos.

TES ten moitas aplicacións en diferentes sectores e rexións, como:

• Calefacción e refrixeración dos edificios, mediante TES estacional ou TES diúrno
• Xeración de enerxía, utilizando enerxía solar concentrada (CSP) ou combinada de calor e enerxía (CHP)
• Procesos industriais, utilizando recuperación de calor residual ou integración de calor de proceso
• Transporte, utilizando almacenamento frigorífico para alimentos ou almacenamento de xeo para aire acondicionado
• Agricultura, utilizando calefacción de invernadoiro ou secado de cultivos

Nesta entrada do blog, exploraremos os diferentes tipos de TES, as súas vantaxes e inconvenientes, e algúns exemplos de materiais e tecnoloxías empregadas para cada tipo. Tamén discutiremos o potencial e os retos dos TES para o futuro dos sistemas enerxéticos.

Tipos de almacenamento de enerxía térmica

O TES pódese clasificar en tres categorías, segundo a forma en que se almacena e libera a calor: calor sensible, calor latente e almacenamento de calor termoquímico.

• O almacenamento de calor sensible é o tipo máis común e sinxelo de TES, onde a calor se almacena aumentando ou baixando a temperatura dun medio líquido ou sólido, como auga, sales fundidas, metais ou rochas. A cantidade de calor almacenada depende da masa, da calor específica e da diferenza de temperatura do medio. O almacenamento de calor sensible ten unha capacidade de almacenamento baixa, pero unha alta eficiencia, baixo custo e alta seguridade.
• O almacenamento de calor latente é un tipo máis avanzado de TES, onde a calor se almacena cambiando a fase dun material, como a fusión, a conxelación, a vaporización ou a condensación. O material chámase material de cambio de fase (PCM). A cantidade de calor almacenada depende da masa, a calor latente e a temperatura de transición de fase do PCM. O almacenamento de calor latente ten unha alta capacidade de almacenamento, pero unha baixa eficiencia, alto custo e baixa seguridade.
• O almacenamento de calor termoquímico é o tipo máis novo e complexo de TES, onde a calor se almacena ao romper ou formar enlaces químicos nunha reacción reversible, como a hidratación, a deshidratación, a oxidación ou a redución. O material chámase material termoquímico (TCM). A cantidade de calor almacenada depende da masa, da entalpía e da constante de equilibrio da reacción. O almacenamento de calor termoquímico ten unha capacidade de almacenamento moi alta, pero unha eficiencia moi baixa, un custo moi elevado e unha seguridade moi baixa.

Nas seguintes seccións, comentaremos cada tipo de TES con máis detalle e proporcionaremos algúns exemplos de materiais e tecnoloxías empregadas para cada tipo.

!Almacenamento de calor sensible)

Almacenamento de calor sensato

O almacenamento de calor sensible é o tipo de TES máis utilizado, xa que é sinxelo, fiable e económico. O principio do almacenamento de calor sensible é almacenar calor aumentando ou diminuíndo a temperatura dun medio líquido ou sólido, sen cambiar a súa fase. A calor pódese liberar invertendo o proceso, é dicir, diminuíndo ou aumentando a temperatura do medio.

A opción máis común e amplamente utilizada para o almacenamento de calor sensible son os depósitos de auga, que poden almacenar auga quente ou fría para quentar ou refrixerar. Os depósitos de auga pódense clasificar en dous tipos: estratificados e mixtos. Os depósitos de auga estratificados teñen unha capa de auga quente encima dunha capa de auga fría, separadas por unha termoclina. Os depósitos de auga mixta teñen unha temperatura uniforme en todo o depósito, conseguida axitando ou bombeando a auga. Os depósitos de auga estratificados teñen unha maior capacidade de almacenamento e eficiencia que os tanques de auga mixta, pero requiren un deseño e un funcionamento máis coidadosos para manter a estratificación.

Algunhas opcións alternativas para o almacenamento de calor sensible son sales fundidas, metais ou almacenamento de enerxía térmica subterránea (UTES). As sales fundidas son mesturas de sales que se funden a altas temperaturas, como o nitrato de sodio e o nitrato de potasio. Poden almacenar calor a temperaturas de ata 600 °C e úsanse para plantas CSP. Os metais son materiais que teñen alta condutividade térmica e calor específica, como o aluminio, o cobre ou o aceiro. Poden almacenar calor a temperaturas de ata 1000 °C, e úsanse para procesos industriais. UTES é un método de almacenamento de calor no chan mediante pozos, acuíferos ou cavernas. Pode almacenar calor a temperaturas de ata 90 °C e úsase para a calefacción e refrixeración estacional dos edificios.

!Almacenamento de calor latente)

Almacenamento de calor latente

O almacenamento de calor latente é un tipo máis avanzado de TES, xa que pode almacenar máis calor nun volume menor e a unha temperatura constante. O principio do almacenamento de calor latente é almacenar calor cambiando a fase dun material, como a fusión, a conxelación, a vaporización ou a condensación. O material chámase material de cambio de fase (PCM). A calor pódese liberar invertendo o proceso, é dicir, cambiando a fase do material de novo ao seu estado orixinal.

Os principais retos e oportunidades de usar PCM para TES son:

• Atopar PCM axeitados que teñan alta calor latente, baixo custo, alta estabilidade e baixo impacto ambiental
• Mellora da condutividade térmica e da transferencia de calor do PCM, que adoitan ser baixas e lentas
• Integración de PCM con outros compoñentes e sistemas, como intercambiadores de calor, tubos, bombas ou recipientes

Algúns exemplos de tipos e aplicacións de PCM son:

• O xeo é un PCM que se conxela e se funde a 0 °C, e ten unha calor latente de 334 kJ/kg. Pódese usar para almacenamento en frío ou aire acondicionado, mediante o uso de tanques de xeo, purín de xeo ou sistemas de xeo en bobina.
• A parafina é un PCM que se funde e solidifica a varias temperaturas, dependendo da lonxitude da cadea de carbono, e ten unha calor latente de 200-250 kJ/kg. Pódese usar para quentar ou arrefriar, utilizando cápsulas de parafina, paneis ou tubos.
• Os hidratos de sal son PCM que se deshidratan e hidratan a varias temperaturas, dependendo do tipo e composición de sal, e teñen unha calor latente de 250-500 kJ/kg. Pódense empregar para quentar ou arrefriar, empregando compostos de hidrato de sal, pellets ou ladrillos.

!Almacenamento de calor termoquímico)

Almacenamento de calor termoquímico

O almacenamento de calor termoquímico é o tipo máis novo e complexo de TES, xa que pode almacenar cantidades moi grandes de calor durante períodos de tempo moi longos, sen perdas de calor. O principio do almacenamento de calor termoquímico é almacenar calor rompendo ou formando enlaces químicos nunha reacción reversible, como hidratación, deshidratación, oxidación ou redución. O material chámase material termoquímico (TCM). A calor pódese liberar invertendo a reacción, é dicir, formando ou rompendo os enlaces químicos.

As principais vantaxes e limitacións do uso do almacenamento termoquímico para TES son:

• Capacidade e densidade de almacenamento moi altas, xa que a calor se almacena en forma de enerxía química, que é moito maior que a enerxía térmica
• Perdas de calor moi baixas, xa que a calor se almacena en forma de produtos químicos, que son estables e inertes
• Temperatura de almacenamento moi elevada, xa que a calor é liberada por reaccións exotérmicas, que poden chegar ata os 1000 °C
• Eficiencia e potencia moi baixas, xa que a calor é liberada por reaccións lentas e complexas, que requiren catalizadores e reactores
• Custo e risco moi elevados, xa que os materiais e tecnoloxías son caros e perigosos

Algúns exemplos de sistemas e materiais de almacenamento termoquímico son:

• Os hidruros metálicos son TCM que absorben e liberan hidróxeno a varias temperaturas e presións, dependendo do tipo e composición do metal, e teñen unha entalpía de 20-200 kJ/mol. Pódense empregar para quentar ou arrefriar, empregando leitos de hidruro metálico, reactores ou tanques.
• A sorción é un proceso que implica a adsorción ou absorción dun gas ou dun líquido por un sólido ou un líquido, como a auga por zeolitas ou sales. Pode almacenar calor a varias temperaturas e presións, dependendo do tipo e concentración de sorbente e sorbato, e ten unha entalpía de 50-500 kJ/kg. Pódese empregar para quentar ou refrixerar, empregando enfriadores de sorción, bombas de calor ou módulos.
• A síntese de metanol é unha reacción que converte o dióxido de carbono e o hidróxeno en metanol e auga, e viceversa. Pode almacenar calor a temperaturas de 200-300°C e presións de 50-100 bar, e ten unha entalpía de 90 kJ/mol. Pódese utilizar para a xeración de enerxía, mediante o uso de reactores de síntese de metanol, turbinas ou pilas de combustible.

Conclusión

Nesta entrada do blog coñecemos os diferentes tipos de TES, as súas vantaxes e inconvenientes, e algúns exemplos de materiais e tecnoloxías empregadas para cada tipo. Tamén discutimos o potencial e os retos dos TES para o futuro dos sistemas enerxéticos.

TES é unha tecnoloxía prometedora que pode axudar a conseguir un futuro sostible e de enerxía limpa, ao permitir a integración de fontes de enerxía renovables, mellorar a eficiencia enerxética de edificios, industrias e centrais eléctricas e reducir as emisións de gases de efecto invernadoiro, os custos enerxéticos e problemas de fiabilidade e resiliencia dos sistemas enerxéticos.

Non obstante, TES tamén enfróntase a moitas barreiras técnicas, económicas e sociais, como a falta de normalización, regulación e concienciación, o alto investimento inicial e os custos operativos e os riscos ambientais e de seguridade. Polo tanto, necesítanse máis investigación e desenvolvemento, demostración e despregamento e apoio ás políticas e ao mercado para superar estes desafíos e promover a adopción e difusión de TES.