{"id":134657,"date":"2021-01-22T12:10:18","date_gmt":"2021-01-22T11:10:18","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=134657"},"modified":"2021-01-22T12:10:18","modified_gmt":"2021-01-22T11:10:18","slug":"lechos-fijos-aire-solido-para-almacenamiento-termico-de-energia","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2021\/01\/22\/134657","title":{"rendered":"Lechos fijos aire-s\u00f3lido para almacenamiento t\u00e9rmico de energ\u00eda"},"content":{"rendered":"

Autor:\u00a0Elisa Alonso, CIEMAT<\/strong><\/p>\n

La humanidad se enfrenta a una situaci\u00f3n de emergencia clim\u00e1tica donde la transici\u00f3n a un modelo energ\u00e9tico limpio y sostenible es cr\u00edtica para lograr revertirla. Las energ\u00edas renovables juegan un papel fundamental, pero deben ser eficientes y gestionables. Para ello, es necesario poder almacenarlas. Ante la disyuntiva de almacenar energ\u00eda el\u00e9ctrica o energ\u00e9tica t\u00e9rmica, seg\u00fan el estado actual de las tecnolog\u00edas, la segunda resulta m\u00e1s eficiente, m\u00e1s econ\u00f3mica y permite el almacenamiento a escala de gigavatios. Por ello, los sistemas de almacenamiento t\u00e9rmico son fundamentales en el dise\u00f1o de las redes energ\u00e9ticas del futuro pr\u00f3ximo.<\/span><\/p>\n

Las diferentes formas de almacenar la energ\u00eda t\u00e9rmica se pueden clasificar en almacenamiento de calor sensible, que se materializa en el incremento de temperatura del material de almacenamiento, calor latente, donde el material cambia de fase para absorber y ceder energ\u00eda t\u00e9rmica y almacenamiento termoqu\u00edmico, que consiste en aportar y recuperar calor mediante reacciones qu\u00edmicas reversibles. As\u00ed mismo, cada tipo de almacenamiento incluye diversos sistemas y tecnolog\u00edas [1]. Entre ellos, este art\u00edculo se basa en los lechos fijos o empaquetados para almacenamiento de calor sensible en part\u00edculas s\u00f3lidas s\u00f3lido, usando aire como fluido de transferencia t\u00e9rmica. Ser\u00e1n denominados ASPB por su acr\u00f3nimo en ingl\u00e9s: Air Solid Packed Bed<\/em>. \u00a0En t\u00e9rminos generales, un ASPB es un contenedor o tanque relleno de part\u00edculas s\u00f3lidas que permanecen fijas en el interior del tanque. Para cargar el sistema de almacenamiento, se hace pasar una corriente de aire caliente por la zona superior que atraviesa el lecho y sale por la parte inferior. La descarga y recuperaci\u00f3n del calor almacenado se realiza cambiando el sentido del flujo de aire: entrar\u00e1 fr\u00eda por la zona inferior y saldr\u00e1 caliente por la superior. Los distintos mecanismos de transferencia de calor que tienen lugar durante los procesos descritos y mientras el tanque permanece cargado est\u00e1ticamente, hacen que la energ\u00eda t\u00e9rmica se acumule en el lecho de part\u00edculas formando lo que se denomina termoclina. La termoclina es una zona de transici\u00f3n entre las temperaturas m\u00e1xima (Th<\/sub>) que corresponde con la zona m\u00e1s alta del tanque y m\u00ednima (Tc<\/sub>) que corresponde con la zona m\u00e1s baja. Se forma un gradiente entre ambas temperaturas que se desplaza en altura conforme el tanque se carga o se descarga. En la Figura 1 se describe gr\u00e1ficamente el proceso de carga de un ASPB. Los esquemas de la parte superior de la imagen representan la posici\u00f3n de la termoclina en diferentes momentos del proceso de carga. En cada uno de ellos, se ha dibujado la curva temperatura-altura (T-z). A medida que el tiempo avanza y el proceso de carga evoluciona, la termoclina se desplaza hacia abajo hasta llegar a la zona inferior del tanque, momento de m\u00e1xima carga. El proceso de descarga conllevar\u00eda el movimiento opuesto de la termoclina. Las curvas T-z se han agrupado en los gr\u00e1ficos siguientes, primero tal y como aparecen en el esquema superior y despu\u00e9s cambiando la posici\u00f3n de los ejes para una mejor visibilidad y compresi\u00f3n. Este \u00faltimo tipo de gr\u00e1fico es el que habitualmente se emplea para describir la evoluci\u00f3n de una termoclina con el tiempo. Cuanto m\u00e1s estrecha sea la zona de transici\u00f3n entre las zonas de temperatura caliente y fr\u00eda, la eficiencia exerg\u00e9tica del sistema aumentar\u00e1 porque la cantidad del calor aprovechable a la temperatura m\u00e1xima ser\u00e1 mayor. La termoclina avanza a una velocidad que viene determinada por el m\u00e1ximo de la pendiente de las curvas T-z, es decir, el punto de inflexi\u00f3n de dichas curvas. Esa velocidad proporciona informaci\u00f3n del tiempo requerido para que el sistema de almacenamiento se cargue o se descargue completamente [3].<\/span><\/p>\n

Los ASPB son sistemas de almacenamiento t\u00e9rmico econ\u00f3micos porque, a diferencia de, por ejemplo, los sistemas comerciales de sales fundidas y doble tanque que se emplean en las plantas comerciales de concentraci\u00f3n solar (y que pueden suponer hasta 15 horas de funcionamiento a potencia nominal de la planta sin radiaci\u00f3n solar), constan de un solo tanque. Adem\u00e1s, los materiales que se emplean como relleno suelen ser baratos y abundantes en la naturaleza. Por otro lado, los materiales deben ser seguros, resistentes mec\u00e1nica y t\u00e9rmicamente y deben disponer de una capacidad t\u00e9rmica elevada adem\u00e1s de una geometr\u00eda que facilite las transferencias de calor con el aire sin generar elevadas p\u00e9rdidas de carga. Algunos ejemplos comunes son los cantos rodados u otro tipo de rocas, arenas, gravas, etc.<\/span><\/p>\n

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Figura 1. Esquema representativo del proceso de carga de un ASPB, con foco en las curvas que muestran el avance de la termoclina con el tiempo.<\/em><\/p>\n

Con el objetivo de incrementar la eficiencia de los ASPB se debe profundizar en el conocimiento de los procesos f\u00edsicos que ocurren en su interior. En investigaci\u00f3n se combina la experimentaci\u00f3n con prototipos con el desarrollo de modelos de simulaci\u00f3n que permiten predecir el funcionamiento del sistema antes de su construcci\u00f3n y adem\u00e1s conocer los efectos de escala que no se aprecian con prototipos experimentales de peque\u00f1o tama\u00f1o.<\/span><\/p>\n

Los prototipos de investigaci\u00f3n permiten estudiar la formaci\u00f3n y evoluci\u00f3n de la termoclina mediante la obtenci\u00f3n de datos de temperatura en diferentes alturas y a lo largo del tiempo. Sin embargo, la contribuci\u00f3n del propio tanque al comportamiento t\u00e9rmico bien sea por el calor que almacena en las paredes o por las p\u00e9rdidas que puedan ocurrir a su trav\u00e9s, es mucho m\u00e1s importante en dispositivos de menor escala y se hace despreciable cuando la relaci\u00f3n entre el volumen de relleno y el volumen de las paredes es muy elevada. Las simulaciones de ASPB suelen consistir en la resoluci\u00f3n de un balance de calor aplicado, bien al relleno y al aire por separado, o bien, en algunos casos, a ambas fases actuando como una fase efectiva. Si el coeficiente de transferencia de calor por convecci\u00f3n entre el s\u00f3lido y el aire es elevado, la asunci\u00f3n de una \u00fanica fase puede ser una simplificaci\u00f3n aceptable. El balance de energ\u00eda aplicado al s\u00f3lido y al aire por separado tendr\u00eda la forma indicada en las Ecuaciones 1 y 2, a las que se les podr\u00eda a\u00f1adir t\u00e9rminos adicionales para contabilizar otros fen\u00f3menos como, por ejemplo, p\u00e9rdidas de calor a trav\u00e9s de las paredes del tanque.<\/span><\/p>\n

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Estas ecuaciones muestran como las propiedades f\u00edsicas del aire y del relleno son determinantes en la definici\u00f3n de la termoclina, adem\u00e1s de la geometr\u00eda del tanque y las condiciones de operaci\u00f3n. En particular, se ha observado que la capacidad t\u00e9rmica del relleno se debe conocer con exactitud para un correcto an\u00e1lisis del comportamiento del sistema dado que peque\u00f1as variaciones provocan diferencias notables en la forma de la termoclina.<\/span><\/p>\n

Algunas de las incertidumbres cient\u00edfico-t\u00e9cnicas de los ASBP se est\u00e1n resolviendo en el proyecto ACES2030 financiado por la Comunidad Aut\u00f3noma de Madrid, como tecnolog\u00eda de inter\u00e9s para su integraci\u00f3n en plantas de energ\u00eda solar de concentraci\u00f3n. El objetivo \u00faltimo de la investigaci\u00f3n en esta tem\u00e1tica debe ser el dise\u00f1o de ASPB con alta densidad energ\u00e9tica, donde la regi\u00f3n ocupada por la termoclina, es decir, la transici\u00f3n entre la temperatura caliente y la fr\u00eda sea peque\u00f1a y con una velocidad de carga y descarga razonable.<\/span><\/p>\n

Referencias<\/strong><\/p>\n

[1] Pardo, P., Deydier, A., Anxionnaz-Minvielle, Z., Roug\u00e9, S., Cabassud, M., Cognet, P., 2014. A review on high temperature thermochemical heat energy storage. Renew. Sustain. Energy Rev. 32, 591\u2013610.<\/p>\n

[2]Esence, T., Bruch, A., Molina, S., Stutz, B., Fourmigu\u00e9, J.F., 2017. A review on experience feedback and numerical modeling of packed-bed thermal energy storage systems. Sol. Energy 153, 628\u2013654.<\/p>\n

[3] Bay\u00f3n, R., Rojas, E., 2013. Simulation of thermocline storage for solar thermal power plants: From dimensionless results to prototypes and real-size tanks. Int. J. Heat Mass Transf. 60, 713\u2013721.<\/p>\n

Contacto<\/strong><\/p>\n

Elisa Alonso, Investigadora del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM.<\/p>\n

Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero \u00c1lvarez. IMDEA Energ\u00eda<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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