Almacenamiento de energías renovables a través del almacenamiento de energía térmica de lecho empaquetado de flujo radial

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Fuente: https://www.pv-magazine.com

Investigadores en Suecia han creado un sistema de almacenamiento de energía térmica que se basa en un índice de flujo de masa de aire dinámico que se aplica durante los procesos de carga y descarga. Logró una eficiencia térmica máxima de alrededor del 70%.

El prototipo de almacenamiento de energía térmica incluyendo las principales unidades de medida. Imagen: Instituto Real de Tecnología KTH, Journal of Energy Storage, Creative Commons License CC BY 4.0

Investigadores del KTH Royal Institute of Technology de Suecia han diseñado un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) de lecho empacado de alta temperatura que podría usarse para el almacenamiento de electricidad generada por energías renovables a gran escala.

El sistema térmico de 49,7 kilovatios hora (kWh th ) se basa en el almacenamiento térmico en «lechos empaquetados», donde un medio de almacenamiento de calor se sella en un contenedor aislado. Incluye mecanismos de transferencia de calor dentro del propio sistema.

“Los TES sensibles de lecho empacado almacenan energía térmica calentando y enfriando partículas sólidas por medio de un fluido de transferencia de calor (HTF) que fluye a través de los lechos”, explicaron los científicos. “Estudios anteriores han demostrado que los TES de lecho empacado pueden ofrecer varias ventajas: material de almacenamiento económico; amplio rango de temperatura de trabajo; transferencia de calor directa entre el HTF y el material de almacenamiento; estabilidad química elevada con degradación y corrosión limitadas”.

El sistema utiliza tubería con cuatro válvulas de mariposa que permiten ciclos térmicos consecutivos, y un calentador eléctrico y un controlador de flujo másico para controlar la carga y descarga. El calentador se basa en cuatro unidades de calefacción individuales con una capacidad de 15 KW por unidad y se puede operar de forma independiente según el caudal de masa de aire, la temperatura de salida objetivo y la potencia de calefacción.

“Se instala una válvula de alivio de presión aguas arriba del calentador eléctrico que garantiza una sobrepresión máxima en el sistema de tuberías y TES de 0,3 bar, lo que limita los riesgos asociados con la configuración experimental”, especificó el grupo, señalando que la temperatura del aire de entrada y el aire caudal másico son las principales variables operativas que influyen en el comportamiento termodinámico del sistema. “Dado que el TES a menudo actúa como un amortiguador, es probable que la tasa de flujo de masa de aire varíe durante las operaciones”.

Un controlador de caudal másico actúa sobre un compresor dedicado, que a su vez permite definir el caudal másico de aire.

Dibujo del tanque TES, sistema de tuberías, arreglo de válvulas e instrumentosImagen: Instituto Real de Tecnología KTH, Journal of Energy Storage, Creative Commons License CC BY 4.0

El prototipo fue diseñado para operar con un caudal másico de aire de 28,7 g/s, una temperatura del aire de entrada igual a 600 C durante la carga y 25 C durante la descarga y presión ambiente. Durante el funcionamiento, a un proceso de carga de 2 horas le sigue una permanencia de 20 minutos y una fase de descarga de 2 horas.

El rendimiento termodinámico del sistema se evaluó considerando varios perfiles dinámicos de caudal másico durante la fase de carga. “La tasa de flujo de masa de aire se ha controlado durante la fase de descarga para proporcionar una salida de energía térmica constante durante períodos de tiempo prolongados”, dijo el grupo. “Finalmente, se realizaron ciclos operativos cortos y se evaluaron en función de las condiciones de trabajo del caso base”.

El sistema logró una eficiencia térmica general de aproximadamente el 70%. Durante ciclos térmicos cortos consecutivos, la eficiencia de carga disminuyó alrededor de un 18 % y la eficiencia de descarga aumentó un 35 %. La prueba también mostró que las tasas de flujo de masa de aire variables durante el proceso de carga afectan negativamente el rendimiento del TES y que las estrategias de control del flujo de masa de aire pueden reducir el rendimiento general del sistema hasta en un 7 %.

El sistema se describe en el artículo Evaluación experimental de un almacenamiento de energía térmica de lecho empacado de flujo radial a alta temperatura bajo un índice de flujo másico dinámico , publicado en el Journal of Energy Storage . “El trabajo futuro evaluará la influencia de los perfiles dinámicos combinados de carga y descarga, mientras implementa mejoras específicas del prototipo TES para limitar la falta de uniformidad de la distribución de porosidad dentro del TES, minimizando su impacto negativo y maximizando el rendimiento del TES”, concluyeron. 

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