Healthcare Data Systems (EMISHD)
4.3 Evaluation process
4.3.2 Evaluation phase
En las plantas termosolares se almacena la energía térmica principal- mente para hacer la generación eléctrica más independiente de la irradiación solar. Para ello el TES debe acumular la energía térmica del campo solar y cederla al ciclo de generación cuando se necesite. Hay tres mecanismos que se pueden aprovechar para el almacena- miento de energía térmica:
• El cambio de la temperatura del medio de almacenamiento (calor sensible).
• El cambio de fase del medio de almacenamiento (calor latente). • Reacciones termo-químicas en el medio de almacenamiento que
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Almacenamiento de energía térmica en centrales termosolares
En cualquier caso, es importante para su funcionamiento como siste- ma de almacenamiento, que los procesos sean reversibles, es decir, que el hecho de introducir y extraer calor pueda repetirse un gran número de veces.
a) Almacenamiento de calor sensible
El calor sensible cambia la temperatura de un medio. Subir la tempe- ratura de un medio de almacenamiento equivale a deponer calor sensible en él. En el proceso inverso se recupera el calor almacenado bajando la temperatura del almacén.
La relación entre el cambio de la energía térmica de un medio y su temperatura es la denominada capacidad térmica que es propia del medio de almacenamiento. La capacidad térmica del agua es una de las más grandes de todos los medios conocidos. Sólo el helio tiene una capacidad térmica superior. Además de su gran capacidad tér- mica el agua no es inflamable, es económica, no tóxica y disponible en abundancia. Estas son las razones por las que el agua es el medio preferente para el almacenamiento de calor sensible.
Sin embargo, para el almacenamiento de calor sensible en un nivel de temperaturas habituales en centrales termosolares, hay que recurrir a lí- quidos estables con puntos de ebullición muy altos como aceite térmico, fusiones de sales o bien sólidos como hormigón o ladrillos refractarios.
Figura 4. Capacidad cualitativa de almacenamiento de calor sensible con
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En el caso de los medios líquidos con puntos de cristalización relati- vamente altos, como las sales fundidas, hay que evitar en cada mo- mento la solidificación de la fusión. Por eso el desarrollo actual de los medios de almacenamiento sensible de calor se enfoca, por un lado en bajar el punto de cristalización de las sales y por el otro en la susti- tución de sal por materiales sólidos como el hormigón.
Tabla 1. Características de materiales para el almacenamiento de calor
sensible. Temp. min. [°C] Temp. max. [°C] Densidad [kg/m³] Conduc- tividad térmica [W/mK] Capacidad térmica Cp [kJ/kg K] Coste medio [US$/kg] Medios líquidos Agua 0 100 1.000 0,597 4,18 <0,01 Aceite mineral 200 300 770 0,12 2,6 4,2 Aceite de silicona 300 400 900 0,10 2,1 80 Sales Nitratos 265 565 1.870 0,52 1,6 3,7 Sodio líquido 270 530 850 71,0 1,3 21 Sales Carbonatos 450 850 2100 2,0 1,8 11,0 Medios sólidos Hormigón armado 200 400 2.200 1,5 0,85 1 Acero colado 200 700 7.800 40 0,6 60 Ladrillos refractarios Silica 200 700 1.820 1,5 1,0 7,0 Ladrillos refractarios Magnesia 200 1.200 3.000 5,0 1,15 6
Fuente: Gil et.al., 2010.
b) Almacenamiento de calor latente
Extendiendo la curva calor/temperatura hacia temperaturas más al- tas se llega al punto de ebullición, que marca el principio de la eva-
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Almacenamiento de energía térmica en centrales termosolares
poración. Este cambio de fase, de líquido a gaseoso, requiere una cantidad de energía específica muy superior a la necesaria para subir la temperatura del líquido. Este calor necesario para la evaporación se llama calor latente, porque no está asociado con un cambio de temperatura. Durante el proceso entero de evaporación la tempera- tura se mantiene constante (isotérmico).
Figura 5. Capacidad cualitativa de almacenamiento de calor latente con
un cambio de fase solido-liquido. Fuente: Remke, 2010.
Si se invierte el proceso condensando el vapor, el calor latente de la evaporación se libera en forma de calor de condensación. La exten- sión de la curva hacia temperaturas inferiores lleva el sistema al punto de cambio de fase líquido – sólido, el denominado punto de congela- ción, que también está asociado con un efecto calorífico.
Básicamente ambos puntos de cambio de fase se dejan aprovechar para el almacenamiento en acumuladores de calor latente. Sin em- bargo, para la construcción de un TES hay que tener en cuenta las propiedades específicas del sistema:
• El cambio de fase tiene lugar en una temperatura determinada. La temperatura se mantiene constante durante el cambio de fase. • El cambio líquido/gaseoso está asociado con una expansión enor-
me del volumen.
• Con el cambio líquido/sólido también cambia el mecanismo de transporte de calor de convección a conducción.
Para elegir el medio adecuado para el almacenamiento de calor la- tente hay que tener en cuenta, por un lado la temperatura de fusión
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del respectivo material y su adecuación con la temperatura del pro- ceso; y por otro su calor de fusión que determina la capacidad de almacenamiento.
Tabla 2. Características de materiales para el almacenamiento
de calor latente. Temperatura de Fusión [°C] Capacidad térmica Cp [kJ/kg K] Densidad [kg/m³] Calor de fusión [kJ/kg] Conduc- tividad térmica [W/mK] Agua 0 4,18 1.000 333,2 0,597 Parafina 112 2,1 n.a. 213 0,10 NaNO3 307 1,10 2.260 172 … 199 0,50 KNO3 337 0,95 2.110 95 … 266 0,50 NaCl 800 n.a. 2.160 466 … 492 5
Fuente: Gil et.al., 2010.
Hay otros aspectos que pueden tener importancia para la selección del material adecuado como por ejemplo la toxicidad, la inflamabili- dad, el precio, la corrosividad etc.
c) Almacenamiento termo-químico
El efecto calorífico de reacciones físico-químicas (sorción) o químicas (descomposición, oxidación-reducción) reversibles las hace intere- santes para el almacenamiento térmico.
El principio de la acumulación termo química es la separación de enlaces que está asociada con la absorción de energía (carga del sistema), y la recuperación de esta energía mediante la puesta en contacto y la reacción de los reactantes anteriormente separados, que se encuentra asociada con la liberación de energía (descarga del sistema).
Los retos más grandes de la tecnología son la estabilidad cíclica y la baja conductividad térmica de la mayoría de los posibles medios de almacenamiento.
Aunque hasta la actualidad solo existen experiencias a nivel de labo- ratorio, las ventajas principales del almacenamiento termo-químico, como la ausencia de pérdidas térmicas en el estado de acumulación
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Almacenamiento de energía térmica en centrales termosolares
por separación espacial de los reactantes y la gran densidad de ener- gía almacenada, lo hace interesante para futuros sistemas.
Tabla 3. Reacciones de materiales de almacenamiento termo-químico.
Compuesto Reacción Temperatura de reacción [°C] de energíaDensidad Carbonato de hierro FeCO3 ↔ FeO + CO2 180 2,6 GJ/m³ Hídridos de metales
Metal xH2 ↔ metal yH2 + (x-Y)H2 200-300 4 GJ/m³ Oxido de
Magnesio
MgO+H2O ↔ Mg(OH)2 250-400 3,3 GJ/m³ Amoniaco NH3 + ∆H ↔ 1/2N2 + 3/2H2 400-500 67 J/mol
Fuente: Gil et.al., 2010.