Científicos del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL) han desarrollado una forma sencilla de evaluar mejor el potencial de los materiales innovadores para almacenar o liberar el calor bajo demanda en su casa, oficina u otro edificio de forma que se gestione de forma más eficiente el uso energético del edificio.
Su trabajo, publicado en Nature Energy, propone un nuevo método de diseño que podría hacer que el proceso de calefacción y refrigeración de los edificios sea más manejable, menos costoso, más eficiente y esté mejor preparado para gestionar con flexibilidad la energía procedente de fuentes renovables que no siempre suministran energía cuando más se necesita.
El artículo, titulado “Rate Capability and Ragone Plots for Phase Change Thermal Energy Storage“, es obra de Jason Woods, del NREL, junto con los coautores Allison Mahvi, Anurag Goyal, Eric Kozubal, Wale Odukomaiya y Roderick Jackson. El artículo describe una nueva forma de optimizar los dispositivos de almacenamiento térmico que refleja una idea utilizada para las baterías, ayudando a informar sobre qué nuevos materiales de almacenamiento térmico se necesitan para los edificios y cómo deben diseñarse los dispositivos con estos materiales.
El almacenamiento de energía térmica permite que los edificios funcionen como una enorme batería, almacenando la energía térmica en distintos materiales hasta que pueda utilizarse más tarde. Un ejemplo es la bomba de calor. Aunque al principio se necesita electricidad para crear y almacenar el calor, éste se utiliza más tarde sin necesidad de usar electricidad adicional.
En otro ejemplo, algunos materiales tienen la capacidad de cambiar de fase, como el hielo, que puede pasar de sólido a líquido. Al derretirse, el hielo absorbe energía de un fluido de trabajo y lo enfría, lo que puede utilizarse para enfriar un espacio del edificio. Como el cambio de fase se produce a una temperatura casi constante, se puede suministrar o almacenar energía útil durante un periodo más largo a una temperatura constante. El almacenamiento de energía térmica suele ser muy eficiente desde el punto de vista energético.
Los autores descubrieron que el diagrama de Ragone, utilizado a menudo para caracterizar las baterías, también funciona bien para describir la eficacia potencial de varios dispositivos de almacenamiento térmico candidatos. El diagrama de Ragone muestra el equilibrio entre la cantidad de energía que puede almacenar un dispositivo y su potencia de descarga, es decir, la rapidez con la que el dispositivo puede liberar energía.
Este enfoque fundacional facilita la evaluación de las comparaciones entre diferentes materiales de almacenamiento térmico o mejoras de dispositivos. 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 puedan servir como opciones alternativas y novedosas de almacenamiento de energía.
“Este diagrama de Ragone garantiza un diseño rentable de los materiales y dispositivos de almacenamiento térmico en función de los requisitos de potencia y energía de una aplicación concreta”, afirma Jason Woods, ingeniero de investigación senior del NREL y autor principal del artículo recién publicado.
Mahvi, investigador postdoctoral del NREL, dijo que otra ventaja es la habilitación de tecnologías que puedan mitigar los apagones en la red. “La mayor parte de la demanda máxima de electricidad -especialmente en verano, cuando pueden producirse apagones- está impulsada por el aire acondicionado. Si podemos trasladar esa demanda a otro momento del día, podemos ayudar a aliviar la tensión en la red, manteniendo la red operativa, pero también manteniendo a la gente cómoda en el interior”.
“Los sistemas de almacenamiento de energía térmica tendrán que ser más flexibles y adaptables con la incorporación de la generación de energía in situ, la carga de vehículos eléctricos y la combinación de almacenamiento térmico con baterías”, dijo Woods.
“Parte de esta flexibilidad requiere una mayor potencia, pero esta mayor potencia tiene un coste de energía disponible, como destaca esta publicación”.
La forma en que se utilice el almacenamiento de energía térmica influirá en su rendimiento. Los científicos deben tener en cuenta cómo se puede utilizar mejor la energía almacenada para mantener cómodos a los ocupantes de los edificios, o para diferentes aplicaciones como mantener los equipos electrónicos a una temperatura segura.
“El que mejor funcione para mí y mi aplicación dependerá de cuáles sean los requisitos. ¿Cuánto necesito almacenar y con qué rapidez tengo que descargarlo?”. dijo Mahvi. “Este esquema nos permitirá optimizar los sistemas de almacenamiento térmico desde el material hasta la escala de los componentes para aumentar la densidad de potencia sin dejar de acceder a toda la capacidad disponible. Esto dará lugar a dispositivos más eficientes que podrán utilizarse para una amplia gama de aplicaciones”.
Los investigadores desarrollaron un modelo informático para comprender las distintas 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 equilibrio entre potencia y energía en la práctica.
La Building Technologies Office (Oficina de Tecnologías de la Construcción) de la Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables) del Departamento de Energía de EE.UU. financió esta investigación.
El NREL es el principal laboratorio nacional del Departamento de Energía de EE.UU. para la investigación y el desarrollo de las energías renovables y la eficiencia energética. NREL es operado para el Dpto. de Energía por Alliance for Sustainable Energy, LLC.
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