Archivo de diciembre, 2020

Refrigeración con energía solar de concentración

Autor: Javier Muñoz-Antón. Grupo de Investigaciones Termoenergéticas, Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

Hoy en día, el creciente consumo de energía eléctrica en la mayoría de los países industrializados, en los que la demanda de energía eléctrica para el aire acondicionado es una pieza clave, está generando un creciente interés por la tecnología de refrigeración solar. Emplear la energía del sol en los sistemas de refrigeración puede reducir sustancialmente los picos de electricidad durante los meses de verano y al mismo tiempo reducir las emisiones de CO2. Además, la refrigeración a través de la aplicación de energía solar es particularmente atractiva debido a su no dependencia de la energía convencional y la casi coincidencia de las cargas de enfriamiento máximas con la disponibilidad de energía solar. En particular, los altos niveles de radiación solar en las regiones del sur de Europa hacen que el uso de sistemas de aire acondicionado asistidos por energía solar sea muy adecuado. A la luz de las consideraciones anteriores, existe un gran interés en modelar y simular sistemas de refrigeración por absorción solar, orientados a la climatización, donde la energía solar es absorbida por colectores solares de concentración. Para potenciar las prestaciones de la planta y aumentar la fracción de energía solar explotada, se debe estudiar la integración de un tanque de almacenamiento en frío.

Abstract

Nowadays, the increasing electrical energy consumption in most industrialized countries, in which electrical energy demand for air conditioning is a key piece, is leading to a growing interest in solar cooling technology. Employing the energy of the sun in refrigeration systems can substantially reduce electricity peaks during the summer months and at the same time reduce CO2 emissions. Furthermore, refrigeration via solar energy application is particularly attractive because of its non-dependence on conventional power and the near coincidence of peak cooling loads with the solar energy availability. In particular, the high levels of solar radiation in southern European regions make the use of solar assisted air-conditioning systems very suitable. In the light of the previous considerations, there are a high interest in model and simulate solar absorption cooling system, aimed at air conditioning, where the solar energy is absorbed by concentrating solar collectors. To enhance the performances of the plant and to increase the fraction of solar energy exploited, the integration of a cold storage tank must be studied.

Artículo

El consumo mundial de energía ha experimentado un aumento sustancial en las últimas décadas, siendo una parte importante de este consumo el rápido crecimiento de la demanda de climatización tanto en edificios residenciales como de servicios, e incluso en algunas industrias.

Dada la tecnología estándar que se utiliza actualmente en los sistemas de refrigeración, la de expansión directa, está asociada a un aumento de la demanda de electricidad, con ciertos riesgos para la estabilidad de la red eléctrica en los días más calurosos.

Satisfacer esta creciente demanda con energía fósil no renovable condiciona seguir con el modelo de producción de energía que produce cantidades significativas de emisiones de CO2 a la atmósfera.

Este problema podría resolverse, o al menos mitigarse, con el desarrollo de tecnologías basadas en fuentes de energía renovables. Entre ellos, la energía solar es un candidato importante para este propósito, ya que es la fuente renovable abundante y que cuando mayor es su aporte, mayor es la necesidad de aire acondicionado que se tiene.

Ya se han reportado en la literatura disponible varias configuraciones de plantas posibles para sistemas de enfriamiento solar, Henning (2007). Además, Sparber et al. (2007) indica que en el momento en que reporta su estudio, existían en todo el mundo 81 plantas de prueba de climatización solar con una capacidad de enfriamiento nominal superior a 20 kW, mientras que Mugnier y Jakob (2012) estimaron en 750 el número de sistemas de enfriamiento solar instalados en todo el mundo en 2011, incluidas las plantas de pequeña capacidad (menores de 20 kW). Para este propósito se utilizan tecnologías de absorción y de adsorción (Fan et al., 2007, Chidambaram et al., 2011, Hassan y Mohamad 2012a, 2012b).

Figura 1. Esquema de instalación de refrigeración con energía solar concentrada.

Estudios sencillos ponen de relieve las posibilidades de estas tecnologías, como puede ser con la más conocida del ciclo de absorción de agua / bromuro de litio (H2O-LiBr) de simple efecto acoplado a colectores de placa plana y tubos de vacío (Ayadi et al., 2012).

Figura 2. Diagrama esquemático de una enfriadora de absorción H2O-LiBr, Bordogna et al, 2013.

Pero una evolución hacia ciclos de doble efecto H2O-LiBr, sustituyendo los colectores de placa plana o de tubos de vacío por sistemas de concentración está ganando atención debido a su mayor rendimiento energético inherente y a plantas de demostración construidas con colectores solares basados en concentradores comerciales (Ayadi et al., 2012) o soluciones híbridas con sistemas que acoplan colectores solares de concentración y quemadores de gas (Bermejo et al., 2010), según indica la bibliografía disponible.

En este contexto, la posibilidad de obtener unos datos del comportamiento asociado a este tipo de tecnologías resulta posible y de gran interés en tanto en cuanto se disponga de las ecuaciones que modelen este tipo de sistemas. Esto está al alcance de un explorador de internet habida cuenta de la gran cantidad de bibliografía al respecto de que se dispone en abierto.

Con estas ideas se puede considerar un modelo simple de sistema de concentración solar con bomba de absorción y tanque para almacenar el frío conseguido en forma de agua líquida enfriada. Las energías renovables presentan un inconveniente común que es la poca o nula gestionabilidad del recurso, por lo que, en el proceso de transformación del recurso a la energía útil, conviene incorporar algún tipo de almacenamiento que permita cierto margen de gestionabilidad para abastecer a la demanda que corresponda.

Actualmente la literatura indica una gran cantidad de trabajos que consideran almacenamiento ‘caliente’ y muy pocos los que lo consideran para almacenar ‘frío’ (Mazloumi et al., 2008, Bordogna et al., 2015).

Los resultados de la simulación de verano en la ciudad de Madrid, España, muestran que, para una planta de climatización por absorción solar, mediante un ciclo de doble absorción H2O-LiBr hibridado con gas, parámetros como el índice de enfriamiento solar o el índice de horas de funcionamiento, aumentan de manera lineal con el aumento del tamaño del tanque de almacenamiento. Los mejores resultados durante las simulaciones de verano se obtuvieron para el volumen de almacenamiento de 50 m3, alcanzando una eficiencia de conversión de energía estacional, desde el aporte de energía solar hasta la salida de energía de enfriamiento igual al 55%, con un factor de utilización del enfriador auxiliar de aproximadamente el 52%.

Referencias

Ayadi O., Aprile M., Motta M., 2012. Solar cooling systems utilizing concentrating solar collectors, Energy Pro. 30: 875-883.

Bermejo P., Pino F. J., Rosa F., 2010. Solar absortpion cooling plant in Seville, Sol. Energy 85: 1503–1512.

Pietro Bordogna, José Antonio Fernández Benítez, Luca Molinaroli, Javier Muñoz-Antón, Simulation of a double effect H2O-LiBr absorption chiller driven by solar concentrating parabolic trough collectors, January 2015, Refrigeration Science and Technology

Chidambaram L. A., Ramana  A. S., Kamaraj G., Velraj R. 2011. Review of solar cooling methods and thermal storage options, Renew. Sust. Energy Rev. 15: 3220-3228.

Fan Y., Luo L., Souyri B., 2007. Review of solar sorption refrigeration technologies: Development and applications, Renew. Sust. Energy Rev. 11: 1758–1775.

Hassan H. Z., Mohamad A. A., 2012a. A review on solar-powered closed physisorption cooling systems, Renew. Sust. Energy Rev. 16: 2516-2538.

Hassan H. Z., Mohamad A. A., 2012b. A review on solar cold production through absorption technology, Renew. Sust. Energy Rev. 16: 5331-5348.

Henning H.-M., 2007. Solar assisted air conditioning of buildings – an overview, App. Therm. Eng. 27: 1734-1749.

Sparber W., Napolitano A., Melograno P., 2007. Overview on worldwide installed solar cooling systems, Proc. 2nd International Conference Solar Air Conditioning, Tarragona, Spain.

Mugnier D. and Jakob U., 2012. Keeping cool with the Sun, Int. Sustain. Energy Rev. 6: 28-30.

Contacto

Javier Muñoz-Antón, Investigador del grupo UPM-GIT del Programa ACES2030-CM.

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía

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Silício nanoestructurado para la nueva generación de baterías ión litio

Autor: Juan José Vilatela García. IMDEA Materiales

Cuando un estudiante actual de bachillerato compre su primer coche nuevo, será con toda certeza eléctrico. Y gran parte de la electricidad que use para cargarlo vendrá de enormes sistemas de baterías que formarán parte integral de la red eléctrica e irán reemplazando a las plantas de gas natural. Esta electrificación durante la próxima década será posible a través de nuevas baterías con mayor capacidad de almacenamiento y menor costo. El proceso desarrollado por IMDEA Materiales va en esa dirección. Abre una nueva vía para fabricar electrodos de Sillico, uno de los materiales considerados estratégicos para las futuras baterías en Europa.

Para mantener el ritmo en el avance hacia la electrificación son necesarias mejoras en las prestaciones y costos de los sistemas de almacenamiento de energía, particularmente de las baterías de ion litio. El caso de los vehículos eléctricos es un buen ejemplo. Es necesario aumentar la capacidad de almacenamiento para reducir el peso y aumentar el rango de los vehículos, así como incrementar la vida útil de los baterías. Dada la complejidad de las baterías, este no es un reto menor. En el proceso de almacenamiento dentro de una batería intervienen múltiples materiales organizados en capas, incluidos sólidos, líquidos, conductores, aislantes, etc, cuyas propiedades están interrelacionadas.

Dentro de todos estos materiales, el silicio ocupa un lugar especial. Es considerado el sucesor del grafito, el material usado actualmente como electrodo negativo (ánodo) en baterías de móviles, autos, etc. Ya que el Si tiene capacidad de almacenar alrededor de 10 veces más carga que el grafito, no es de sorprender que el reciente anuncio de Tesla sobre su futura generación de baterías incluya ánodos de silicio. Por otro lado, el silicio es uno de los elementos más abundantes en la tierra ya que se encuentra en la arena, rocas y en general en casi todos los minerales. El grafito natural, en cambio, escasea en Europa y está por lo tanto identificado como un material a reemplazar para garantizar la seguridad energética de la Unión Europea.

El gran reto para aprovechar el potencial del silicio es desarrollar métodos escalables que permitan producirlo con la estructura adecuada para poder aprovechar la totalidad de su capacidad de almacenamiento y evitar que se degrade durante los ciclos de carga y descarga. El proceso desarrollado en IMDEA es un salto en esta dirección, ya que permite la fabricación continua de silicio flexible, similar a un textil. Los robustez mecánica de estos electrodos hechos al 100% de Si nanoestructurado, contrasta con los electrodos tradicionales en forma de polvos que requieren adhesivos reforzantes y soportes metálicos. En el ejemplo en la imagen abajo se muestran cintas de nanohilos de Silicio, similares a textiles.

Como signo distintivo de esta tecnología es la combinación de altas prestaciones y un proceso de manufactura industrializable. Así ha sido reconocido por el Consejo Europeo de Investigación, que ha otorgado un proyecto al grupo para acelerar su desarrollo. Gracias al proyecto Europeo el equipo está avanzando en la demostración de las propiedades de estos electrodos y la escalabilidad del proceso de fabricación. Desde mediados de 2020 el equipo mantiene reuniones con empresas de la cadena de producción de baterías, incluidos productores de materiales, integradores de baterías y usuarios finales en el sector automoción. Esta iniciativa cuenta además con una asesora en transferencia tecnológica asignadas por la Comisión Europa, y apoyo de uno de los mayores expertos nacionales en gestión de proyectos de I+D industriales.

Referencias

Richard S. Schäufele, Miguel Vazquez-Pufleau, Juan J. Vilatela – Tough sheets of nanowires produced floating in the gas phase. materials horizons 7, 2978-2984, 2020. DOI: 10.1039/D0MH00777C

Contacto

Juan José Vilatela, Responsable de Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales de IMDEA Materiales e Investigador responsable del Grupo FIMDEAM del Programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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