🔌Recuperando el calor: almacenamiento de energía térmica podría ayudar a descarbonizar edificios💡

Thermal Energy Storage

Los esfuerzos de investigación del Berkeley Lab en materiales avanzados y análisis de costos dan un gran impulso a una tecnología subestimada.

¿Puede un tanque de hielo o agua caliente ser una batería? ¡Sí! Si una batería es un dispositivo para almacenar energía, almacenar agua caliente o fría para alimentar el sistema de calefacción o aire acondicionado de un edificio es un tipo diferente de almacenamiento de energía. Conocida como almacenamiento de energía térmica, la tecnología ha estado dando vueltas durante mucho tiempo, pero a menudo se ha pasado por alto. Ahora los científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) están haciendo un esfuerzo común para llevar el almacenamiento de energía térmica al siguiente nivel.

Para superar algunas de las limitaciones del almacenamiento tradicional de energía térmica a base de agua, los científicos de Berkeley Lab están buscando desarrollar materiales y sistemas de próxima generación para ser utilizados como medio de calefacción o refrigeración. También están creando un marco para analizar costos y una herramienta para comparar los ahorros de costes. En una serie de artículos publicados este año, investigadores de Berkeley Lab han informado sobre avances importantes en cada una de estas áreas.

“Es muy difícil descarbonizar edificios, especialmente por la calefacción”, declara Ravi Prasher, director asociado del laboratorio de Berkeley para las tecnologías energéticas. “Pero si almacenas energía en la forma del uso final, que es calor, en lugar de en la forma del suministro de energía, que es electricidad, los ahorros de costos podrían ser muy convincentes. Y ahora con el marco que hemos desarrollado, podremos pesar los costos de almacenamiento de energía térmica frente al almacenamiento eléctrico, como con baterías de litio, que hasta ahora ha sido imposible. ”

En los Estados Unidos, los edificios representan el 40% del consumo total de energía. De ello, casi la mitad va hacia cargas térmicas, que incluyen calefacción y refrigeración espaciales, así como calefacción de agua y refrigeración. En otras palabras, una quinta parte de toda la energía producida va hacia cargas térmicas en edificios. Y para 2050, se espera que la demanda en la red eléctrica de cargas térmicas aumente dramáticamente a medida que se elimina el gas natural y la calefacción se alimenta cada vez más por electricidad.

“Si utilizamos almacenamiento de energía térmica, en el que las materias primas son más abundantes para satisfacer la demanda de cargas térmicas, esto relajará parte de la demanda de almacenamiento electroquímico y liberará baterías para ser utilizadas donde no se puede utilizar el almacenamiento de energía térmica”, dijo Sumanjeet Kaur, jefa del Grupo de Energía Termal de Berkeley Lab.

Ravi Prasher and Sumanjeet Kaur

Los científicos del Laboratorio de Berkeley Ravi Prasher (izquierda) y Sumanjeet Kaur encabezan una investigación para desarrollar el almacenamiento de energía térmica para descarbonizar los edificios. Crédito: Thor Swift/Berkeley Lab

Alternativa viable y rentable a las baterías

A medida que nuestra sociedad sigue electrificando, se proyecta que la necesidad de baterías para almacenar energía es enorme, alcanzando aproximadamente 2 a 10 horas de terawatt (TWh) de producción anual de baterías para 2030 de menos de 0,5 TWh hoy. Con la batería de iones de litio como la tecnología de almacenamiento dominante para el futuro previsible, una limitación clave es la disponibilidad limitada de materias primas, incluyendo litio, cobalto y níquel, ingredientes esenciales de la batería de litio actual. Aunque Berkeley Lab está trabajando activamente para hacer frente a esta limitación, también se necesitan formas alternativas de almacenamiento energético.

“Las baterías de litio enfrentan una tremenda presión ahora en términos de suministro de materias primas”, comenta Prasher. “Creemos que el almacenamiento de energía térmica puede ser una alternativa viable, sostenible y rentable a otras formas de almacenamiento energético.”

El almacenamiento de energía térmica se puede desplegar a una serie de escalas, incluso en edificios individuales, como en una casa, una oficina o una fábrica, o en un distrito o regional. Mientras que la forma más común de energía térmica utiliza grandes tanques de agua caliente o fría, hay otros tipos de así llamado almacenamiento térmico sensible, como el uso de arena o rocas para almacenar energía térmica. Sin embargo, estos enfoques requieren grandes cantidades de espacio, lo que limita su idoneidad para las residencias.

De líquido a sólido y vuelta a empezar

Para superar esta limitación, los científicos han desarrollado materiales de alta tecnología para almacenar energía térmica. Por ejemplo, los materiales de cambio de fase absorben y liberan energía cuando se transfiere entre fases, como de líquido a sólido y de espalda.

Los materiales de cambio de fase tienen una serie de aplicaciones potenciales, incluyendo la gestión térmica de las baterías (para evitar que se pongan demasiado calientes o demasiado frías), textiles avanzados (pensar en la ropa que puede mantener automáticamente caliente o fresco, logrando así la comodidad térmica al reducir el consumo de energía de construcción,) y enfriamiento seco de las centrales eléctricas (para conservar el agua). En los edificios se pueden añadir materiales de cambio de fase a las paredes, actuando como una batería térmica para el edificio. Cuando la temperatura ambiente se eleva por encima del punto de fusión del material, el material cambia la fase y absorbe el calor, enfriando así el edificio. Por el contrario, cuando la temperatura baja por debajo del punto de fusión, el material cambia la fase y libera el calor.

Sin embargo, un problema con los materiales de cambio de fase es que normalmente funcionan sólo en un rango de temperatura. Esto significa que se necesitarían dos materiales diferentes para el verano y el invierno, lo que aumenta el costo. Berkeley Lab se planteó superar este problema y lograr lo que se llama “afinabilidad dinamística” de la temperatura de transición.

Integrating Thermal Energy Storage in Buildings

Dos formas diferentes de integrar el almacenamiento de energía térmica en los edificios. Una batería térmica (alimentada por un material de cambio de fase) puede conectarse a la bomba de calor de un edificio o a un sistema tradicional de calefacción, ventilación y aire acondicionado (izquierda), o el material de cambio de fase puede incorporarse al interior de las paredes. Crédito: Berkeley Lab

En un estudio publicado recientemente en Cell Reports Physical Science, los investigadores son los primeros en lograr la sintonización dinámica en un material de cambio de fase. Su método de avance utiliza iones y un material de cambio de fase único que combina el almacenamiento de energía térmica con el almacenamiento de energía eléctrica, por lo que puede almacenar y suministrar tanto calor como electricidad.

“Esta nueva tecnología es verdaderamente única porque combina energía térmica y eléctrica en un solo dispositivo”, dijo el Applied Energy Materials Group Leader Gao Liu, autor cocorrespondiente del estudio. “Funciona como una batería térmica y eléctrica. Además, esta capacidad aumenta el potencial de almacenamiento térmico debido a la capacidad de sintonizar el punto de fusión del material dependiendo de las diferentes temperaturas ambiente. Esto aumentará considerablemente la utilización de materiales de cambio de fase. ”

Kaur, también coautor en la publicación, añadió: “En la imagen más grande, esto ayuda a reducir el costo de almacenamiento porque ahora el mismo material se puede utilizar durante todo el año en lugar de apenas la mitad del año.”

En la construcción de edificios a gran escala, esta capacidad de almacenamiento combinado de energía térmica y eléctrica permitiría que el material almacenara exceso de electricidad producida por operaciones solares o eólicas in situ, para satisfacer tanto las necesidades térmicas (calor y refrigeración) como eléctricas.

Fomento de la ciencia fundamental de los materiales de cambio de fase

Otro estudio de Berkeley Lab a principios de este año abordaba el problema del supercooling, que no es genial en ciertos materiales de cambio de fase porque hace que el material sea impredecible, ya que puede no cambiar fase a la misma temperatura cada vez. Dirigido por el estudiante asistente de posgrado y estudiante de doctorado de UC Berkeley Drew Lilley, el estudio, publicado en la revista Applied Energy, fue el primero en demostrar una metodología para predecir cuantitativamente el rendimiento de supercooling de un material.

Un tercer estudio de Berkeley Lab, publicado en Applied Physics Letters este año, describe una manera de desarrollar la comprensión atómica y molecular del cambio de fase, que es fundamental para el diseño de nuevos materiales de cambio de fase.

“Hasta ahora, la mayoría de los estudios fundamentales relacionados con la física de cambio de fase han sido computacionales en la naturaleza, pero hemos desarrollado una metodología sencilla para predecir la densidad energética de los materiales de cambio de fase”, dijo Prasher. “Estos estudios son pasos importantes que allanan el camino para utilizar materiales de cambio de fase más ampliamente.”

Manzana a manzana – paso a paso

Un cuarto estudio, publicado en Energy & Environmental Science, desarrolla un marco que permitirá comparaciones de costes directos entre baterías y almacenamiento de energía térmica, que no había sido posible hasta ahora.

“Este es un marco muy bueno para que la gente compare – paso a paso – baterías contra almacenamiento térmico”, dijo Kaur. “Si alguien vino a mí y me pregunta, ‘¿debería instalar un Powerwall (sistema de batería de litio de Tesla para almacenar energía solar) o almacenamiento de energía térmica?,’ no había manera de compararlos. Este marco proporciona una forma de que las personas entiendan el costo del almacenamiento a lo largo de los años.”

El marco, desarrollado con investigadores del National Renewable Energy Laboratory y el Oak Ridge National Laboratory, tiene en cuenta el coste de vida. Por ejemplo, los sistemas térmicos tienen menores costos de capital para instalar, y la vida útil de los sistemas térmicos es típicamente de 15 a 20 años, mientras que las baterías suelen ser reemplazadas después de ocho años.

Herramienta de simulación para el despliegue de almacenamiento de energía térmica en sistemas de construcción HVAC

Finalmente, un estudio con investigadores de UC Davis y UC Berkeley demostró la viabilidad tecno-económica de implementar sistemas HVAC con almacenamiento de energía térmica basado en materiales de cambio de fase. En primer lugar, el equipo elaboró modelos de simulación y herramientas necesarias para evaluar el ahorro de costos energéticos, la reducción de la carga máxima y el costo de dicho sistema. La herramienta, permitirá a investigadores y constructores comparar la economía del sistema de sistemas HVAC con el almacenamiento de energía térmica a los sistemas HVAC todo eléctrico con y sin almacenamiento electroquímico.

“Estas herramientas ofrecen una oportunidad sin precedentes para explorar la economía de aplicaciones del mundo real de HVAC integrado por almacenamiento de energía térmica”, declaró Spencer Dutton director del proyecto Berkeley Lab . “Integrar el almacenamiento de energía térmica nos permite reducir significativamente la capacidad y, por lo tanto, el costo de la bomba de calor, que es un factor significativo para reducir los costos del ciclo de vida. ”

A continuación, el equipo está desarrollando un prototipo de sistema HVAC “listo para campos” para pequeños edificios comerciales que empleaban baterías térmicas frías y calientes basadas en materiales de cambio de fase. Tal sistema cambia tanto al enfrío como a la calefacción de la red eléctrica. Por último, el equipo está desplegando una demostración de campo a zona residencial, centrándose en la electrificación casera y desplazando la calefacción doméstica y las cargas de agua caliente.

sci“Si piensas en cómo se consume energía en todo el mundo, la gente piensa que se consume en forma de electricidad, pero de hecho se consume principalmente en forma de calor”, declara Noel Bakhtian, director ejecutivo del Berkeley Lab’s Energy Storage Center.  “Si quieres descarbonizar el mundo, necesitas descarbonizar edificios e industria. Eso significa que necesitas descarbonizar el calor. El almacenamiento de energía térmica puede desempeñar un papel importante allí. ”

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