NREL calienta el almacenamiento de energía térmica con una nueva solución destinada a aliviar el estrés de la red y, en última instancia, mejorar la eficiencia energética

Fuente: https://techxplore.com/

Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han desarrollado una forma sencilla de evaluar mejor el potencial de los materiales novedosos para almacenar o liberar calor a pedido en su hogar, oficina u otro edificio de una manera que administre de manera más eficiente el uso de energía del edificio.

Su trabajo, presentado en Nature Energy, propone un nuevo método de diseño que podría hacer que el proceso de calefacción y refrigeración de edificios sea más manejable, menos costoso, más eficiente y mejor preparado para administrar de manera flexible la energía de fuentes de energía renovables que no siempre entregan energía cuando es más necesario.

El documento, «Rate Capability and Ragone Plots for Phase Change Thermal Energy Storage», fue escrito por Jason Woods de NREL, junto con los coautores Allison Mahvi, Anurag Goyal, Eric Kozubal, Wale Odukomaiya y Roderick Jackson. El documento describe una nueva forma de optimizar los dispositivos de almacenamiento térmico que refleja una idea utilizada para las baterías, ayudando a informar qué nuevos materiales de almacenamiento térmico se necesitan para los edificios y cómo se deben diseñar los dispositivos con estos materiales.

El almacenamiento de energía térmica permite que los edificios funcionen como una enorme batería al almacenar energía térmica en materiales novedosos hasta que pueda utilizarse más tarde. Un ejemplo es una bomba de calor. Mientras que inicialmente se necesita electricidad para crear y almacenar el calor, el calor se usa más tarde sin usar electricidad adicional.

En otro ejemplo, algunos materiales tienen la capacidad de cambiar de fase, como el hielo, que puede pasar de un sólido a un líquido. A medida que el hielo se derrite, absorbe energía y enfría un fluido de trabajo, que luego se puede usar para enfriar un espacio de construcción. Debido a que el cambio de fase ocurre a una temperatura casi constante, la energía útil se puede proporcionar o almacenar durante un período más largo a una temperatura constante. El almacenamiento de energía térmica es típicamente muy eficiente desde el punto de vista energético.

Los autores descubrieron que un diagrama de Ragone, a menudo utilizado para caracterizar baterías, también funciona bien para describir la eficacia potencial de varios candidatos a dispositivos de almacenamiento térmico . Un gráfico de Ragone muestra la compensación entre cuánta energía puede almacenar un dispositivo y su potencia de descarga, o qué tan rápido el dispositivo puede liberar energía. Este enfoque fundamental hace que las comparaciones entre diferentes materiales de almacenamiento térmico o mejoras de dispositivos sean más fáciles de evaluar. Sirve como punto de partida para definir objetivos y es una herramienta de diseño útil para desarrollar nuevos materiales y dispositivos de almacenamiento térmico que pueden servir como opciones novedosas y alternativas de almacenamiento de energía.

«Este marco de Ragone garantiza un diseño rentable de materiales y dispositivos de almacenamiento térmico en función de los requisitos de potencia y energía de una aplicación en particular», dijo Jason Woods, ingeniero de investigación senior de NREL y autor principal del artículo recién publicado.

Mahvi, investigador postdoctoral en NREL, dijo que otra ventaja es la habilitación de tecnologías que pueden mitigar los apagones en la red. «La mayor parte de la demanda máxima de electricidad, especialmente en el verano, cuando puede ver apagones, es impulsada por el aire acondicionado. Si puede trasladar esa demanda a otro momento del día, puede ayudar a aliviar la tensión en la red, manteniendo la red operativos, pero también para mantener a las personas cómodas en el interior «.

«Los sistemas de almacenamiento de energía térmica deberán volverse más flexibles y adaptables con la adición de generación de energía en el sitio, carga de vehículos eléctricos y la combinación de almacenamiento térmico con baterías», dijo Woods. «Parte de esta flexibilidad requiere mayor potencia, pero esta mayor potencia tiene un costo de energía disponible, como destaca esta publicación».

La forma en que se utilice el almacenamiento de energía térmica afectará su rendimiento. Los científicos deben considerar preguntas sobre cómo se puede utilizar mejor la energía almacenada para mantener cómodos a los ocupantes del edificio o para diferentes aplicaciones, como mantener equipos electrónicos a una temperatura segura.

«¿Cuál funciona mejor para mí y mi aplicación dependerá de cuáles sean los requisitos? ¿Cuánto necesito almacenar y qué tan rápido debo descargarlo?» Mahvi dijo. «Este marco nos permitirá optimizar los sistemas de almacenamiento térmico desde el material hasta la escala de componentes para aumentar la densidad de potencia y, al mismo tiempo, acceder a la mayor cantidad de capacidad disponible posible. Esto dará como resultado dispositivos más eficientes que se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones «.

Los investigadores desarrollaron un modelo de computadora para comprender las diversas compensaciones de diseño con estos dispositivos de almacenamiento térmico, incluidos los que requieren alta potencia (liberan la energía rápidamente) y baja potencia (liberan la energía lentamente). También construyeron un prototipo de dispositivo de almacenamiento térmico de cambio de fase, que ilustra este intercambio de energía en la práctica.