Con el programa de investigación Chesteer, los socios del DLR de Stuttgart quieren probar una batería Carnot. Este sistema de almacenamiento, que funciona con sal, puede almacenar electricidad mediante bombas de calor de alta temperatura.
Qué es una Batería de Carnot
Una batería de Carnot es un tipo de dispositivo termodinámico que se basa en el ciclo de Carnot, un proceso teórico de trabajo que se utiliza para evaluar la eficiencia máxima de un motor térmico. Una batería de Carnot es un dispositivo que se utiliza para almacenar energía térmica y convertirla en trabajo útil.
El ciclo de Carnot consiste en cuatro procesos termodinámicos que se realizan de forma cíclica:
- Calentamiento: se calienta el fluido de trabajo (por ejemplo, aire o vapor) a través de una fuente de calor a una temperatura alta.
- Expansión: el fluido de trabajo se expande a través de una válvula de expansión, lo que produce trabajo útil.
- Enfriamiento: el fluido de trabajo se enfría a través de una fuente de enfriamiento a una temperatura baja.
- Compresión: el fluido de trabajo se comprimió a través de una válvula de compresión y se vuelve a su estado original.
La batería de Carnot es un dispositivo ideal que se basa en el ciclo de Carnot y tiene un rendimiento teóricamente máximo del 100%. Esto significa que, en teoría, puede convertir completamente la energía térmica almacenada en trabajo útil. Sin embargo, en la práctica, la batería de Carnot no es un dispositivo realizable debido a la imposibilidad de encontrar fuentes de calor y enfriamiento perfectas. Además, el proceso de expansión y compresión del fluido de trabajo en la batería de Carnot también suele ser ineficiente debido a la fricción y otros factores.
Batería de Carnot para renovables
El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) ha puesto en funcionamiento en Stuttgart una batería de Carnot destinada a almacenar electricidad procedente del sol y el viento.
El proyecto forma parte de un proyecto de investigación financiado por la UE y denominado Chester.
En el fondo, se trata de salvar los periodos oscuros y los picos de carga de forma neutra para el clima. Según el DLR, se trata de un reto central de la transición energética. Con la ayuda de sistemas de almacenamiento, los excedentes de energías renovables pueden utilizarse cuando no sopla el viento ni brilla el sol.
Estamos trabajando en la optimización de la tecnología para que pueda utilizarse de forma industrial y práctica.
Maike Johnson, responsable del proyecto en el Instituto de Termodinámica Técnica del DLR.
El corazón de la batería Carnot es un sistema de almacenamiento de calor latente desarrollado por el Instituto de Termodinámica Técnica del DLR, que se llena con unos 2 m3 de sales de nitrato. Una bomba de calor de alta temperatura calienta la sal a 150 grados centígrados con la electricidad que se almacenará «latente» porque la sal se funde al calentarse. Parte del calor suministrado está aparentemente oculto, es decir, latente, en el desprendimiento de los enlaces entre los cristales de sal. Dependiendo de la sal, el almacenamiento de calor latente puede así absorber aproximadamente el doble de energía que el almacenamiento de calor sin fusión.
El tiempo de almacenamiento típico de las pilas Carnot es de unas horas a días. Para descargar la unidad de almacenamiento, un segundo circuito transfiere el calor a un motor térmico que acciona una turbina con generador. La electricidad generada de esta forma climáticamente neutra puede volver a inyectarse en la red.
Intercambiadores de calor como copos de nieve.
La característica especial del sistema de almacenamiento de calor del DLR son sus intercambiadores de calor. Las tuberías, diseñadas empírica y matemáticamente por el Instituto de Termodinámica Técnica del DLR, atraviesan el tanque de almacenamiento. Disponen de dos canales para los refrigerantes: uno para la carga y otro para la descarga del acumulador de calor. Esto permite el funcionamiento con diferentes refrigerantes para acoplar las diferentes partes de proceso del sistema de almacenamiento.
Para que la transferencia de energía entre los circuitos de vapor y la sal sea eficaz, los intercambiadores de calor tienen una sección transversal en forma de aleta que se asemeja a un copo de nieve. El resultado es la mayor superficie de contacto posible para la sal.
En los últimos meses, los investigadores han probado todos los componentes y cada proceso del ciclo de almacenamiento por separado. Lo difícil, dicen, es averiguar y establecer los parámetros óptimos de funcionamiento.
Para que se produzca una transferencia de calor estable entre la bomba de calor y el acumulador, y de ahí al motor térmico, todos los componentes tienen que funcionar juntos a tiempo y con el rendimiento adecuado. ¿Qué cantidades de refrigerante se necesitan? ¿Con qué rapidez se puede calentar y enfriar la sal? ¿Qué energía podemos sacar del almacén?
Maike Johnson.
Los científicos están probando distintos escenarios de carga, flujos de calor y curvas de temperatura para sondear los límites del sistema. En el caso de los sistemas más grandes, las pérdidas de calor y los diferentes estados de funcionamiento desempeñan un papel especialmente importante. Con la planta piloto, esto ya se está investigando en la fase de estudio.
Las baterías de Carnot tienen potencial para un uso generalizado en una economía energética sostenible. Esperamos que los sistemas industrialmente viables estén disponibles en el mercado en unos diez años. A continuación, se diseñarán para tiempos de almacenamiento más largos y potencias de varios megavatios.
Dra. Andrea Gutiérrez, jefa del grupo especializado en Almacenamiento Térmico con Cambio de Fase del Instituto de Termodinámica Técnica del DLR.
Pilas de Carnot para procesos industriales.
Una gran ventaja de las pilas Carnot es que pueden suministrar electricidad y calor al mismo tiempo. En el acoplamiento sectorial, pueden conectarse fácilmente con otros sistemas energéticos. Esto es especialmente interesante para la industria. El calor almacenado puede utilizarse directamente en muchos procesos industriales. En combinación con sistemas de almacenamiento de calor estacional, pueden mantener la energía térmica durante meses.
El tamaño, la capacidad y la gestión energética de las baterías Carnot pueden adaptarse a las necesidades respectivas. Esto las hace adecuadas para la llamada calefacción urbana inteligente, por ejemplo. Se trata de redes locales de electricidad y calefacción en las proximidades de la instalación de almacenamiento que suministran energía a urbanizaciones o parques de oficinas.
Vía www.dlr.de
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