O que é armazenamento de energia térmica – Definição

Armazenamento de calor sensível (SHS)

A maneira mais direta é o armazenamento de calor sensível . O armazenamento de calor sensível baseia-se em elevar a temperatura de um líquido ou sólido para armazenar calor e liberá-lo com a diminuição da temperatura quando necessário. Os volumes necessários para armazenar energia na escala que o mundo precisa são extremamente grandes. Os materiais utilizados no armazenamento sensível ao calor devem ter alta capacidade de aquecimento e também alto ponto de ebulição ou fusão. Embora este método de armazenamento de calor seja atualmente menos eficiente para armazenamento de calor, é menos complicado em comparação com o calor latente ou químico e é barato.

Do ponto de vista termodinâmico, o armazenamento de calor sensível é baseado no aumento da entalpia do material na loja, seja um líquido ou um sólido na maioria dos casos. O efeito sensível é uma mudança de temperatura. O calor armazenado pode ser obtido pela equação:

Capacidade de calor

Diferentes substâncias  são afetadas em  diferentes magnitudes  pela  adição de calor . Quando uma determinada quantidade de calor é adicionada a diferentes substâncias, suas temperaturas aumentam em diferentes quantidades. Essa  constante de proporcionalidade  entre o  calor Q  que o objeto absorve ou perde e a mudança de temperatura resultante  T  do objeto é conhecida como  capacidade de calor C  de um objeto.

C = Q / ΔT

A capacidade de calor  é uma  propriedade extensiva  da matéria, o que significa que é proporcional ao tamanho do sistema. A capacidade térmica C  tem a unidade de energia por grau ou energia por kelvin. Ao expressar o mesmo fenômeno que uma  propriedade intensiva , a  capacidade de calor  é dividida pela quantidade de substância, massa ou volume, portanto, a quantidade é independente do tamanho ou extensão da amostra.

Armazenamento de calor latente (LHS)

Uma abordagem comum ao armazenamento de energia térmica é usar materiais conhecidos como materiais de mudança de fase (PCMs). Esses materiais armazenam calor quando sofrem uma mudança de fase , por exemplo, de sólido para líquido, de líquido para gás ou de sólido para sólido (mudança de uma forma cristalina para outra sem mudança de fase física).

A mudança de fase “ sólido para líquido ” é a mais utilizada, mas também é interessante a mudança de sólido para sólido. Esses materiais podem ser usados ​​como uma maneira eficaz de armazenar energia térmica (energia solar, eletricidade fora de pico, calor residual industrial). Em comparação com os sistemas de armazenamento de calor sensível, o armazenamento de calor latente tem as vantagens de alta densidade de armazenamento (devido ao alto calor latente de fusão ) e a natureza isotérmica do processo de armazenamento. O calor da fusão ou o calor da evaporação é muito maior que a capacidade específica de calor. A comparação entre armazenamento de calor latente e armazenamento de calor sensível mostra que, no armazenamento de calor latente, as densidades de armazenamento são tipicamente 5 a 10 vezes mais altas.

Em geral, os efeitos do calor latente associados à mudança de fase são significativos. O calor latente , conhecido também como entalpia de vaporização (mudança de fase de líquido para vapor) ou entalpia de fusão (mudança de fase de sólido para líquido), é a quantidade de calor adicionada ou removida de uma substância para produzir uma alteração na Estágio. Essa energia decompõe as forças atraentes intermoleculares e também deve fornecer a energia necessária para expandir a substância (o trabalho pΔV ). Quando o calor latente é adicionado, nenhuma mudança de temperatura ocorre.

Material de mudança de fase

Os materiais de mudança de fase (PCM) são materiais de armazenamento de calor latentes. É possível encontrar materiais com um calor latente de fusão e temperatura de fusão dentro da faixa desejada. O PCM a ser usado no projeto de sistemas de armazenamento térmico deve obter propriedades termofísicas, cinéticas e químicas desejáveis.

Propriedades termo-físicas

• Temperatura de transição de fase adequada para a aplicação específica.
• Alto calor latente de transição de fase para ocupar o volume mínimo possível. .
• Temperatura de fusão na faixa de temperatura operacional desejada.
• Calor específico alto para fornecer armazenamento de calor sensível significativo adicional.
• Alta condutividade térmica, a fim de minimizar o gradiente de temperatura e auxiliar no carregamento e descarregamento de energia dos sistemas de armazenamento.
• Pequenas alterações de volume na transformação de fase e pequena pressão de vapor em temperaturas operacionais para reduzir o problema de contenção.

Propriedades cinéticas

• Alta taxa de nucleação para evitar super-resfriamento da fase líquida.
• Alta taxa de crescimento de cristais, para que o sistema possa atender às demandas de recuperação de calor do sistema de armazenamento.

Propriedades quimicas

• Materiais não tóxicos, não inflamáveis ​​e não explosivos por razões de segurança.
• Estabilidade química a longo prazo e ciclo completo de fusão / congelamento reversível.
• Sem degradação após um grande número de ciclos de congelamento / fusão.
• Baixa corrosividade

Finalmente, o material deve ser abundante, disponível e barato para ajudar na viabilidade do uso do sistema de armazenamento.

Há um grande número de PCMs, eles podem ser divididos em três grupos:

• PCMs orgânicos
• PCMs inorgânicos
• PCMs eutéticos

Como exemplo, o armazenamento de energia térmica pode ser usado na concentração de centrais solares (CSP), em que a principal vantagem é a capacidade de armazenar energia com eficiência, permitindo o envio de eletricidade por um período de até 24 horas. Em uma planta de CSP que inclui armazenamento, a energia solar é usada primeiro para aquecer o sal fundido ou o óleo sintético para armazenar energia térmica em alta temperatura em tanques isolados. Mais tarde, o sal fundido a quente é usado na produção de vapor para gerar eletricidade pelo turbo gerador a vapor, conforme a necessidade. O uso de calor latente e calor sensível na concentração de usinas de energia solar é possível com a entrada térmica solar de alta temperatura. Várias misturas eutéticas de metais, como alumínio e silício (AlSi12), oferecem um alto ponto de fusão (577 ° C) adequado para a geração eficiente de vapor,

Armazenamento termoquímico

Uma das três abordagens possíveis para o armazenamento de energia térmica é usar reações termoquímicas reversíveis . A vantagem mais importante do método de armazenamento termoquímico é que a entalpia da reação é consideravelmente maior que o calor específico ou o calor da fusão. Portanto, a densidade de armazenamento é muito melhor. Nas reações químicas , a energia é armazenada nas ligações químicas entre os átomos que compõem as moléculas. Armazenamento de energiano nível atômico inclui energia associada aos estados orbitais dos elétrons. Se uma reação química absorve ou libera energia, não há mudança geral na quantidade de energia durante a reação. Isso é devido à lei de conservação de energia , que afirma que:

A energia não pode ser criada ou destruída . A energia pode mudar de forma durante uma reação química .

Um exemplo de um sistema experimental de armazenamento baseado em energia de reação química é a tecnologia de hidrato de sal . O sistema é especialmente vantajoso para o armazenamento sazonal de energia térmica . O sistema utiliza a energia de reação criada quando os sais são hidratados ou desidratados. Ele funciona armazenando calor em um recipiente contendo solução de hidróxido de sódio a 50% (NaOH). O calor (por exemplo, usando um coletor solar) é armazenado pela evaporação da água em uma reação endotérmica. Quando a água é adicionada novamente, o calor é liberado em uma reação exotérmica a 50 ° C. Os sistemas atuais operam com 60% de eficiência.