¿Qué es el almacenamiento de energía térmica? Definición

Desde el punto de vista de la termodinámica, el almacenamiento de calor sensible se basa en el aumento de la entalpía del material en la tienda, ya sea líquido o sólido en la mayoría de los casos. El efecto sensible es un cambio de temperatura. El calor almacenado se puede obtener mediante la ecuación:

Capacidad calorífica

Las diferentes sustancias  se ven afectadas a  diferentes magnitudes  por la  adición de calor . Cuando se agrega una cantidad determinada de calor a diferentes sustancias, sus temperaturas aumentan en diferentes cantidades. Esta  constante de proporcionalidad  entre el  calor Q  que el objeto absorbe o pierde y el cambio de temperatura resultante  T  del objeto se conoce como la  capacidad calorífica C  de un objeto.

C = Q / ΔT

La capacidad de calor  es una  propiedad extensa  de la materia, lo que significa que es proporcional al tamaño del sistema. La capacidad calorífica C  tiene la unidad de energía por grado o energía por kelvin. Cuando se expresa el mismo fenómeno que una  propiedad intensiva , la  capacidad calorífica  se divide por la cantidad de sustancia, masa o volumen, por lo que la cantidad es independiente del tamaño o extensión de la muestra.

Almacenamiento de calor latente (LHS)

Un enfoque común para el almacenamiento de energía térmica es utilizar materiales conocidos como materiales de cambio de fase (PCM). Estos materiales almacenan calor cuando experimentan un cambio de fase , por ejemplo, de sólido a líquido, de líquido a gas o de sólido a sólido (cambio de una forma cristalina a otra sin un cambio de fase físico).

El cambio de fase ” sólido a líquido ” es el más utilizado, pero también es interesante el cambio de sólido a sólido. Estos materiales se pueden usar como una forma efectiva de almacenar energía térmica (energía solar, electricidad fuera del pico, calor residual industrial). En comparación con los sistemas de almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento (debido al alto calor de fusión latente ) y la naturaleza isotérmica del proceso de almacenamiento. El calor de fusión o el calor de evaporación es mucho mayor que la capacidad calorífica específica. La comparación entre el almacenamiento de calor latente y el almacenamiento de calor sensible muestra que en el almacenamiento de calor latente las densidades de almacenamiento son típicamente de 5 a 10 veces más altas.

En general, los efectos de calor latente asociados con el cambio de fase son significativos. El calor latente , conocido también como la entalpía de vaporización (cambio de fase de líquido a vapor) o entalpía de fusión (cambio de fase de sólido a líquido), es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio en fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir la sustancia (el trabajo pΔV ). Cuando se agrega calor latente , no ocurre cambio de temperatura.

Material de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (PCM) son materiales de almacenamiento de calor latente. Es posible encontrar materiales con un calor latente de fusión y temperatura de fusión dentro del rango deseado. El PCM que se utilizará en el diseño de sistemas de almacenamiento térmico debe lograr propiedades termofísicas, cinéticas y químicas deseables.

Propiedades termofísicas

• Temperatura de transición de fase adecuada para la aplicación específica.
• Alto calor latente de transición de fase para ocupar el mínimo volumen posible. .
• Temperatura de fusión en el rango de temperatura de funcionamiento deseado.
• Alto calor específico para proporcionar un almacenamiento adicional significativo de calor sensible.
• Alta conductividad térmica para minimizar el gradiente de temperatura y ayudar a la carga y descarga de energía de los sistemas de almacenamiento.
• Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de operación para reducir el problema de contención.

Propiedades cinéticas

• Alta velocidad de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida.
• Alta tasa de crecimiento de cristales, por lo que el sistema puede satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento.

Propiedades químicas

• Materiales no tóxicos, no inflamables y no explosivos por razones de seguridad.
• Estabilidad química a largo plazo y ciclo de fusión / congelación reversible completo.
• Sin degradación después de una gran cantidad de ciclos de congelación / fusión.
• Baja corrosividad

Finalmente, el material debe ser abundante, disponible y barato para ayudar a la viabilidad del uso del sistema de almacenamiento.

Hay una gran cantidad de PCM, se pueden dividir en tres grupos:

• PCM orgánicos
• PCM inorgánicos
• PCM eutécticos

Como ejemplo, el almacenamiento de energía térmica se puede utilizar en estaciones de energía solar de concentración (CSP), en las que la principal ventaja es la capacidad de almacenar energía de manera eficiente, lo que permite el envío de electricidad durante un período de hasta 24 horas. En una planta de CSP que incluye almacenamiento, la energía solar se usa primero para calentar la sal fundida o el aceite sintético para almacenar energía térmica a alta temperatura en tanques aislados. Más tarde, la sal fundida caliente se usa para la producción de vapor para generar electricidad mediante un turbogenerador de vapor según los requisitos. El uso de calor latente y calor sensible en la concentración de estaciones de energía solar es posible con el aporte térmico solar de alta temperatura. Diversas mezclas eutécticas de metales, como el aluminio y el silicio (AlSi12) ofrecen un alto punto de fusión (577 ° C) adecuado para la generación eficiente de vapor,

Almacenamiento termoquímico

Uno de los tres enfoques posibles para el almacenamiento de energía térmica es utilizar reacciones termoquímicas reversibles . La ventaja más importante del método de almacenamiento termoquímico es que la entalpía de reacción es considerablemente mayor que el calor específico o el calor de fusión. Por lo tanto, la densidad de almacenamiento es mucho mejor. En las reacciones químicas , la energía se almacena en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Almacen de energiaa nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones. Ya sea que una reacción química absorba o libere energía, no hay un cambio general en la cantidad de energía durante la reacción. Eso se debe a la ley de conservación de la energía , que establece que:

La energía no puede ser creada o destruida . La energía puede cambiar de forma durante una reacción química .

Un ejemplo de un sistema de almacenamiento experimental basado en la energía de reacción química es la tecnología de hidrato de sal . El sistema es especialmente ventajoso para el almacenamiento estacional de energía térmica . El sistema utiliza la energía de reacción creada cuando las sales se hidratan o deshidratan. Funciona almacenando calor en un recipiente que contiene una solución de hidróxido de sodio al 50% (NaOH). El calor (por ejemplo, mediante el uso de un colector solar) se almacena evaporando el agua en una reacción endotérmica. Cuando se agrega agua nuevamente, se libera calor en una reacción exotérmica a 50 ° C. Los sistemas actuales operan al 60% de eficiencia.