Ingenieros de la Universidad de Lehigh han diseñado un sistema de almacenamiento de energía térmica que combina la transferencia de calor latente y la tecnología del calor sensible.
En el camino hacia un uso masivo de las energías renovables, el almacenamiento de energía térmica se está convirtiendo en una solución imprescindible para que las redes eléctricas puedan responder a las condiciones variables de la oferta y la demanda. Cuando la demanda es alta y no se dispone de energía solar o eólica, la energía almacenada podría ser la solución.
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica son como baterías que utilizan los cambios de temperatura para almacenar energía para su uso posterior o en otro lugar. Estos sistemas capturan la energía de diferentes maneras, y las técnicas más usadas se basan en transferencias de calor latente y sensible.
El método del calor latente consiste en utilizar la cantidad de energía térmica necesaria para un cambio de fase, que es un cambio de estado físico, como de sólido a líquido, o de líquido a gas, sin alterar la temperatura de un material. El calor sensible es la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un material sin provocar ninguna transición de fase.
Una de las ventajas de la técnica de transferencia de calor latente es que permite almacenar y transferir grandes cantidades de calor. Estos sistemas están asociados a grandes densidades de energía. Una gran ventaja de la técnica de transferencia de calor sensible es su bajo coste; sin embargo, depende de grandes cambios de temperatura para transmitir grandes tasas de transferencia de calor.
Ahora, los ingenieros de Lehigh han desarrollado un nuevo sistema de energía térmica, la batería térmica de Lehigh, que combina lo mejor de ambas técnicas. La tecnología consiste en materiales cementosos de ingeniería y termosifones en una combinación que permite un rendimiento térmico rápido y eficiente a bajo coste. La tecnología puede funcionar con calor o electricidad como fuente de energía de carga. El equipo ha anunciado que, tras tres años de investigación y desarrollo, la tecnología es escalable y está lista para el mercado.
El concepto de hormigón más termosifón es único y novedoso entre los conceptos de almacenamiento de energía térmica. La tecnología ofrece la posibilidad de adaptarse a una amplia gama de temperaturas, medios de transferencia de calor y condiciones de funcionamiento. Esto la hace adecuada para las oportunidades de descarbonización en la industria, la flexibilización de las centrales eléctricas convencionales y los avances y la penetración de la energía solar concentrada.
Carlos Romero, coinvestigador principal del proyecto
La tecnología de la batería térmica de Lehigh es innovadora porque es modular, está diseñada para flujos independientes de entrada/salida de energía durante la carga/descarga, lo que es factible con la ayuda de los termosifones, y el proceso de cambio de dos fases dentro de los tubos de termosifón permite una rápida transferencia de calor isotérmica hacia/desde los medios de almacenamiento a coeficientes de transferencia de calor y tasas de calor muy elevados.
Sudhakar Neti, profesor emérito Departamento de Mecánica e Ingeniería Mecánica.
El prototipo de 150 kWhth construido en el Centro de Investigación de la Energía es una estructura totalmente instrumentada de 1,5 m de diámetro por 1,5 m de altura que contiene 22 termosifones con aletas. El prototipo de 150 kWhth se ha sometido a pruebas exhaustivas con aire comprimido a 480 °C, con una eficiencia de carga/descarga del medio sólido superior al 95%, una distribución uniforme de la temperatura en el medio sólido durante la carga y una repetibilidad cíclica constante. Las tasas medias de energía alcanzadas durante la carga y la descarga fueron de 16,4 y 19,8 kWth, respectivamente, con un gradiente energético muy rápido de la batería térmica de 0,51 kWhth/min durante la primera hora de descarga.
El proyecto acaba de completar un programa de tres años, que incluía la investigación y el desarrollo de los componentes del sistema, el diseño y la integración del sistema y las pruebas del sistema integrado a 3, 10 y 150 kWhth en un entorno relevante. El sistema de 3 kWhth, consistente en un diseño con carga eléctrica, se probó en la central eléctrica de Mount Storm, WV, de Dominion Energy, logrando eficiencias repetibles de ida y vuelta de electricidad a calor en torno al 70%.
El diseño del termosifón se ha optimizado para un funcionamiento dual (secciones de evaporador/condensador deslizantes), lo que permite utilizar el mismo dispositivo para la carga y la descarga de la batería térmica Lehigh.
Vía www.lehigh.edu
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