¿Qué es el almacenamiento térmico de energía?
El Almacenamiento de Energía Térmica (AET) es una tecnología que permite almacenar calor o frío para utilizarlos posteriormente. Desempeña un papel crucial en el equilibrio entre la oferta y la demanda de energía, sobre todo con la creciente dependencia de las fuentes de energía renovables. Comprender los fundamentos y la importancia del TES puede ayudar a apreciar su importancia en el panorama de la ingeniería actual.
Conceptos básicos del almacenamiento de energía térmica
En esencia, el Almacenamiento de Energía Térmica consiste en recoger energía en forma de calor o frío durante periodos de baja demanda o exceso de producción, y almacenarla para utilizarla durante periodos de alta demanda. El proceso implica tres componentes principales: un medio de almacenamiento, un método para almacenar energía y un proceso de extracción.
Los tipos más comunes de TES son
- Almacenamiento de calor sensible
- Almacenamiento de calor latente
- Almacenamiento termoquímico
Cada tipo utiliza materiales y procesos diferentes para almacenar y liberar energía. Por ejemplo, el almacenamiento de calor sensible implica materiales que almacenan energía cambiando su temperatura, mientras que el almacenamiento de calor latente se basa en materiales que almacenan energía durante un cambio de fase.
Almacenamiento térmico sensible: Método de almacenamiento de energía térmica en el que el calor o el frío se almacenan en un material aumentando o disminuyendo su temperatura. Los materiales más utilizados son el agua, la arena o la roca.
Imagina un gran depósito lleno de agua que se calienta con paneles solares durante el día. Esta agua caliente almacenada puede utilizarse para calentar edificios por la noche, lo que demuestra el almacenamiento de calor sensible.
Los materiales de cambio de fase (PCM) se utilizan a menudo en los sistemas de almacenamiento de calor latente por su capacidad de almacenar grandes cantidades de calor con cambios mínimos de temperatura.
Importancia del almacenamiento de energía térmica en la ingeniería moderna
No se puede exagerar la importancia del Almacenamiento de Energía Térmica en la ingeniería moderna, especialmente en un mundo que lucha por la sostenibilidad. He aquí algunas de las principales ventajas:
- Permite un uso más eficiente de las fuentes de energía renovables al almacenar el exceso de energía producida durante los momentos de máxima producción.
- Mejora la fiabilidad y estabilidad de los sistemas energéticos al proporcionar un amortiguador frente a las fluctuaciones de la demanda.
- Reduce la necesidad de centrales eléctricas tradicionales de pico intensivas en carbono, contribuyendo así a la reducción de emisiones.
- Ofrece un ahorro económico potencial al permitir a los usuarios aprovechar los periodos de precios más bajos de la energía para almacenarla y utilizarla durante los periodos de precios más altos.
Con estas ventajas, la TES se está convirtiendo en parte integrante de diversos sectores, como la calefacción y refrigeración residenciales, los procesos industriales y la generación de energía. Al mejorar la eficiencia energética y reducir la dependencia de los combustibles fósiles, la TES contribuye significativamente a los esfuerzos globales hacia un futuro energético más sostenible y resistente.
Una aplicación innovadora de la TES es en las centrales de energía solar concentrada (CSP). En ellas, las sales fundidas se utilizan como medio de almacenamiento térmico, capaz de almacenar el calor a alta temperatura generado por la luz solar. Estas centrales pueden seguir produciendo electricidad aunque no brille el sol, liberando el calor almacenado para producir vapor y accionar turbinas. Esta capacidad transforma las centrales ESTC en fuentes de energía fiables que pueden funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, lo que pone de relieve el potencial transformador de los sistemas TES avanzados en los sectores de las energías renovables.
Tipos de sistemas de almacenamiento de energía térmica
Explorar los distintos tipos de sistemas de Almacenamiento de Energía Térmica ( TES ) pone de relieve la diversidad de métodos para equilibrar la demanda de energía con la oferta, especialmente en el aprovechamiento de las fuentes de energía renovables. Estos sistemas desempeñan un papel fundamental en la mejora de la eficiencia y la fiabilidad de la generación de calor y electricidad.
Materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía térmica
Los materiales de cambio de fase (PCM ) son sustancias que absorben y liberan energía térmica durante el proceso de fusión y congelación. Utilizando el calor latente del cambio de fase, estos materiales son muy eficaces para almacenar y liberar grandes cantidades de energía dentro de un rango de temperatura relativamente estable.
La aplicación de PCM en sistemas TES permite almacenar eficazmente la energía térmica generada durante las horas punta para utilizarla durante las horas valle. Este mecanismo es especialmente ventajoso en aplicaciones que requieren un control de la temperatura dentro de márgenes estrechos.
Calor latente: El calor necesario para convertir un sólido en líquido o vapor, o viceversa, sin cambio de temperatura.
Un ejemplo clásico del uso de PCM es en los materiales de construcción diseñados para reducir la dependencia de los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración. Durante el día, estos materiales absorben el exceso de calor, ayudando a mantener fresco el interior. Por la noche, el calor almacenado se libera gradualmente, manteniendo una temperatura interior confortable.
Almacenamiento de energía térmica en sales fundidas
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica en salesfundidas utilizan sales que se funden a altas temperaturas para almacenar energía térmica. La elevada capacidad calorífica específica de las sales fundidas les permite almacenar cantidades significativas de energía. Cuando se necesita energía, el calor almacenado puede utilizarse directamente para generar vapor para turbogeneradores o para proporcionar calefacción a procesos industriales.
Este tipo de TES se utiliza a menudo junto con las centrales de energía solar concentrada (CSP), permitiéndoles suministrar electricidad más allá de las horas diurnas y mejorando la estabilidad de la red.
El almacenamiento en sales fundidas puede alcanzar temperaturas de hasta 565 °C, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta temperatura.
Sistema de almacenamiento de energía térmica en agua fría
Los Sistemas de Almacenamiento de Energía Térmica de Agua Refrigerada funcionan enfriando el agua durante las horas de menor demanda, a menudo por la noche, y almacenándola en grandes depósitos aislados. Durante las horas de máxima demanda, el agua fría circula por el sistema para enfriar los edificios, desplazando eficazmente el consumo de energía de los periodos punta a los periodos valle.
Este planteamiento no sólo ayuda a gestionar la demanda de electricidad, sino también a reducir los costes generales de refrigeración y a mejorar la eficiencia energética en grandes edificios y aplicaciones industriales.
Los sistemas de agua fría son especialmente beneficiosos en regiones con altas temperaturas diurnas y una demanda de refrigeración importante.
Avances en los sistemas de almacenamiento de energía térmica
Los avances recientes en los sistemas de almacenamiento de energía térmica se han centrado en aumentar la eficiencia, reducir los costes y ampliar la gama de aplicaciones. Las innovaciones incluyen
- PCM mejorados con mayor estabilidad térmica y mayor capacidad de almacenamiento de energía.
- Desarrollo de nuevos materiales para el almacenamiento en sales fundidas con puntos de fusión más bajos y mejor resistencia a la corrosión.
- Integración de TES con otras fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, para crear sistemas híbridos que permitan un suministro energético más constante.
- Estrategias avanzadas de refrigeración y calefacción que utilizan inteligencia artificial para optimizar el rendimiento de los sistemas TES.
Estos avances están allanando el camino para una adopción más amplia de los sistemas TES en distintos sectores, impulsando la transición hacia un ecosistema energético más sostenible y resistente.
Una tecnología emergente en el campo de los TES es el uso de nanopartículas en PCM y sales fundidas. Estas nanopartículas aumentan la conductividad térmica del material de almacenamiento, mejorando significativamente la eficiencia del almacenamiento y la liberación de energía. Esta innovación podría dar lugar a sistemas TES más compactos y potentes, revolucionando la forma en que utilizamos la energía térmica en diversas aplicaciones.
Propiedades y rendimiento de los materiales de almacenamiento de energía térmica
Los materiales de almacenamiento de energía térmica (TES) desempeñan un papel fundamental en el almacenamiento y la liberación eficaces de energía térmica. Las propiedades de estos materiales influyen directamente en el rendimiento, la eficacia y la aplicación de los sistemas TES. Las propiedades clave son la conductividad térmica, la capacidad calorífica específica, la densidad y la temperatura de cambio de fase.
Propiedades de los materiales de almacenamiento de energía térmica
La elección correcta del material para un sistema TES depende de su capacidad para almacenar y liberar cantidades suficientes de energía térmica dentro de un intervalo de temperatura requerido. En esta sección se detallan las propiedades clave que definen el rendimiento de los materiales TES.
Las propiedades importantes son
- Conductividad térmica: Determina la capacidad del material para conducir el calor.
- Capacidad calorífica específica: La cantidad de calor por unidad de masa necesaria para elevar la temperatura un grado centígrado.
- Densidad: Influye en la cantidad de energía que puede almacenarse en un volumen determinado.
- Temperatura de cambio de fase: La temperatura a la que el material cambia de fase, lo que es crucial para los sistemas de almacenamiento de calor latente.
Para el almacenamiento de calor sensible se prefieren materiales con una conductividad térmica y una capacidad calorífica específica elevadas, mientras que para las aplicaciones de almacenamiento de calor latente se buscan materiales con temperaturas de cambio de fase adecuadas.
Temperatura de cambio de fase: Es la temperatura específica a la que un material pasa de un estado de la materia a otro, como de sólido a líquido, y es de gran importancia en la selección de materiales para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica.
Evaluación de la eficacia de los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía térmica
Evaluar la eficacia de los materiales de cambio de fase (PCM) implica analizar sus propiedades térmicas en relación con la aplicación prevista del sistema TES. Los PCM se clasifican por su capacidad de almacenar y liberar grandes cantidades de energía a una temperatura constante.
Las consideraciones clave son
- Calor latente de fusión: La cantidad de energía absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase.
- Estabilidad térmica: La capacidad del material para soportar repetidos ciclos de fusión y solidificación sin degradarse.
- Compatibilidad: La estabilidad química del material en contacto con los componentes del sistema TES.
- Rentabilidad: La viabilidad general de incorporar el PCM a un sistema TES en función de su coste por unidad de energía almacenada.
Un ejemplo habitual de aplicación de un PCM son los materiales de construcción, como los paneles de yeso o las baldosas, que incorporan PCM para regular la temperatura interior. Por ejemplo, la parafina incrustada en los materiales absorbe el exceso de calor durante el día, derritiéndose en el proceso. Por la noche, libera este calor almacenado al solidificarse, manteniendo un ambiente interior confortable.
La eficacia de un PCM está estrechamente vinculada a su temperatura de cambio de fase, que debe coincidir con el rango de temperatura de funcionamiento deseado de la aplicación específica.
En la búsqueda de materiales TES nuevos y más eficaces, los investigadores están explorando los PCM de origen biológico y los PCM nanomejorados. Los PCM de origen biológico, derivados de materiales naturales, ofrecen ventajas medioambientales y un coste reducido. Los PCM nanomejorados incorporan nanopartículas para mejorar la conductividad térmica, lo que permite una transferencia de calor más rápida y eficaz. Estas innovaciones pretenden abordar las limitaciones de los PCM tradicionales, como la baja conductividad térmica y la inestabilidad potencial a lo largo de muchos ciclos de carga y descarga.
Innovaciones y futuro del almacenamiento de energía térmica
El panorama del Almacenamiento de Energía Térmica ( TES ) está experimentando importantes innovaciones, que impulsan las capacidades y eficiencias de estos sistemas. A medida que aumenta la demanda de soluciones de almacenamiento de energía sostenibles y eficientes, surgen nuevas tecnologías y mejoras en los métodos existentes. Estos avances prometen mejorar significativamente la integración de las fuentes de energía renovables en la red, estabilizar los precios de la energía y reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
Almacenamiento de energía térmica por bombeo: Una solución prometedora
El Almacenamiento de Energía Térmica por Bombeo( AETB) es una de las tecnologías emergentes en el campo del AETB. Este sistema funciona convirtiendo la energía eléctrica en energía térmica, que luego se almacena en un medio de acumulación, como agua o sales fundidas, y posteriormente se puede volver a convertir en energía eléctrica a demanda.
Los sistemas PTES ofrecen varias ventajas, entre ellas
- Alta eficiencia en la conversión y almacenamiento de energía
- Capacidad para almacenar energía durante periodos cortos y largos
- Menor impacto medioambiental en comparación con los métodos convencionales de almacenamiento de energía
Estos sistemas podrían desempeñar un papel crucial para equilibrar la oferta y la demanda de energía, sobre todo en regiones con importantes fluctuaciones en la generación de energía renovable.
Almacenamiento de Energía Térmica por Bombeo (ATEB): Tecnología que almacena energía calentando un medio de almacenamiento fluido o sólido durante los periodos de exceso de generación de electricidad, y libera energía convirtiendo el calor almacenado de nuevo en electricidad durante los periodos de alta demanda.
Un ejemplo de PTES consiste en utilizar el exceso de energía renovable para bombear calor a un recipiente de almacenamiento que contiene un material como la sal fundida. Cuando la demanda de energía alcanza su punto máximo, el calor almacenado se utiliza para producir vapor, que mueve las turbinas para generar electricidad.
Los sistemas PTES pueden utilizar el calor residual de los procesos industriales, mejorando la eficiencia energética global.
Avances en los sistemas de almacenamiento de energía térmica
Los recientes avances en los sistemas de almacenamiento de energía térmica ( TES ) están llamados a revolucionar la forma en que almacenamos y utilizamos la energía. Las innovaciones incluyen:
- Nuevos materiales para mejorar la capacidad y la eficiencia del almacenamiento térmico
- Materiales de cambio de fase mejorados con mayor densidad y estabilidad térmica
- Integración de los TES con las tecnologías de redes inteligentes para optimizar la gestión de la energía.
Estos avances pretenden resolver retos críticos a los que se enfrentan los sistemas TES actuales, como reducir el coste del almacenamiento de energía y aumentar la capacidad de uso de la energía almacenada durante periodos más largos.
Una de las principales áreas de innovación es el desarrollo de materiales de cambio de fase (PCM) nanomejorados. Integrando nanopartículas en los PCM tradicionales, se puede mejorar significativamente la conductividad térmica de estos materiales. Esto aumenta la velocidad y la eficacia de la absorción y liberación de calor, transformando potencialmente el rendimiento de los PCM en los sistemas TES. Estos PCM nanomejorados pueden dar lugar a soluciones TES más compactas, eficientes y de respuesta más rápida, lo que las hace ideales para una gama más amplia de aplicaciones, desde la calefacción y refrigeración residenciales hasta la recuperación de calor residual industrial.
Los sistemas TES avanzados se centran no sólo en mejorar la eficiencia, sino también en ser económicamente competitivos para garantizar una amplia adopción en el mercado.
Almacenamiento de Energía Térmica - Puntos clave
- Almacenamiento de Energía Térmica (TES): Tecnología de almacenamiento de calor o frío para su uso posterior, esencial para equilibrar la oferta y la demanda de energía, especialmente con fuentes de energía renovables.
- Tipos de TES: Incluye el almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente mediante materiales de cambio de fase (PCM) y el almacenamiento termoquímico, cada uno con diferentes mecanismos de almacenamiento y liberación de energía.
- Almacenamiento de energía térmica en sales fundidas: Utilizado en centrales de energía solar concentrada, aprovecha la elevada capacidad calorífica específica de las sales fundidas para almacenar y liberar energía térmica para la generación de electricidad o la calefacción industrial.
- Sistema de Almacenamiento de Energía Térmica de Agua Refrigerada: Consiste en enfriar agua durante las horas valle para utilizarla durante los picos de demanda, ayudando a gestionar la demanda de energía y mejorando la eficiencia de los costes de refrigeración.
- Almacenamiento de Energía Térmica por Bombeo (ATEB): Una tecnología emergente en la que la energía eléctrica se convierte y almacena como energía térmica, que puede volver a convertirse en energía eléctrica cuando sea necesario.
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