ARTICULO

 

Costos de las tecnologías de almacenamiento de energía térmica

 

Costs ofthermal energy storage technologies

 

 

Debrayan Bravo Hidalgo^1*, Jorge González Alonso¹y Yomayki Martínez Pérez¹

¹ Research Management Learning (RML). Av. América N21-121 y Av. Universitaria. Quito. Ecuador. Código postal: 170150

*Autor para la correspondencia: Debrayan Bravo, Email: [e-mail]

 

 

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RESUMEN

Las instalaciones de acumulación térmica permitendisponer de energía en ausencia de luz solar. Este hecho atenúa la dificultadque representa la intermitencia en la incidencia del astro rey en el planeta.La tecnología de acumulación térmica también ayuda a suavizar las fluctuacionesen la demanda de energía durante diferentes períodos del día. Esta contribuciónidentifica las naciones con mayores resultados investigativos en esta temática;así como las principales líneas de investigación que hoy día se desarrollan. Sepresenta un compendio de varios materiales de almacenamiento de energíatérmica, sus costos actuales por unidad de masa y las propiedades físicoquímicas de estos. Las técnicas de implementación de las tecnologías deacumulación térmicas pueden catalogarse como áreas de alta, media y bajatemperatura. En el área de alta temperatura, los materiales inorgánicos comolas sales de nitrato son los materiales de almacenamiento de energía térmicamás utilizados, mientras que, en las áreas de media e inferior temperatura, losmateriales orgánicos como la parafina comercial son más comunes. En laactualidad una de las tendencias investigativas en esta temática son losproyectos dirigidos a la optimización de las característica química y física delos materiales de almacenamiento térmico, debido a que el éxito de cualquiertecnología de acumulación termo energética tiene una fuerte dependencia delcosto de los materiales seleccionados para el almacenamiento térmico.

Palabras clave: energía solar, almacenamiento de energía térmica,costos

 

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ABSTRACT

Thermal accumulation facilities allow energy to beavailable in the absence of sunlight. This fact reduces the difficulty of theintermittence in the incidence of the king star in our planet. Thermalaccumulation technology also contributes to smooth the fluctuations in energydemand during different times of the day. This contribution identifies thenations with the most favorable research results in this area;as well as the main research lines that are being developed today. A compendiumof various thermal energy storage materials, their current costs per unit mass,and their physical properties are presented.Techniques for implementing thermal accumulation technologies can be classified as areas of high, medium and lowtemperature. In the high temperature area, inorganic materials such as nitratesalts are the most widely used thermal energy storage materials, while in themedium and lower temperature areas; organic materials such as commercialparaffin are more common. Currently, one of the research trends in this areaare the projects aimed at optimizing the chemical and physical characteristicsof thermal storage materials, because the success of any thermos-energeticstorage technology has a strong dependence on the cost of the materialsselected for thermal storage.

Key words: solar energy, thermal energy storage, costs

 

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INTRODUCCIÓN

Las aplicacionesde energía solar se encuentran en muchos aspectos de la vida cotidiana, como elcalentamiento, climatización de las viviendas y el suministro de agua calientesanitaria. Un inconveniente importante de la energía solar es la intermitencia(Vijayakumar et al., 2005). Para mitigar esteproblema, la necesidad de un sistema de almacenamiento de energía surge en lamayoría de las áreas donde se utiliza la energía solar. Existen diferentestipos de soluciones de almacenamiento de energía (Chenet al., 2009). Uno de los campos más importantes para la aplicación de energíasolar es la generación de energía eléctrica. Donde el sistema de almacenamientode energía más adecuado depende del tipo de tecnología adoptada para lageneración de electricidad. Para la generación de energía eléctrica a partir dela energía solar, existe la posibilidad de elegir entre la energía fotovoltaicay la energía solar concentrada (Köberle et al., 2015;Xu et al., 2015). La tecnología fotovoltaicageneralmente almacena energía eléctrica como energía química en baterías (Shivashankar et al., 2016) mientras que la técnica deenergía solar concentrada utiliza sistemas de acumulación térmica paraalmacenar energía solar en forma de energía térmica. Se han hecho muchascomparaciones entre distintas tecnologías de almacenamiento de energía (Chen et al., 2009). A gran escala, los sistemas deacumulación térmica de alta temperatura resultan ser más adecuadas que latecnología de baterías. Sin embargo, debido a la caída de los precios de lascélulas fotovoltaicas, hay una mayor competencia de la tecnología fotovoltaicafrente a la tecnología de energía solar concentrada (Köberleet al., 2015). Aunque la eficiencia global de los sistemas energía solarconcentrada depende del rendimiento de todos los componentes tales comocolectores, receptores, sistema de almacenamiento de energía térmica,intercambiadores de calor, turbinas y generadores; el desempeño del sistema dealmacenamiento térmico es el elemento más significativo (Khalifaet al., 2016). Por lo tanto, el progreso en la eficiencia de las tecnologías deacumulación térmica y la reducción en el costo son las paridades investigativasde este tipo de instalación.

Estetrabajo resume las características de implementación de esta tecnología y costode diferentes materiales de almacenamiento de energía térmica. Estos materialesy sus propiedades son el factor de mayor incidencia en función de la eficienciay costos de la tecnología de acumulación térmica.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

El trabajo se enfoca en la investigativa de unavasta documentación bibliográfica sobre los distintos tipos de materiales dealmacenamiento de energía térmica y su importe económico.

La investigación se llevó a cabo, mediante el empleodel directorio académico Scopus.  Esta potenteherramienta permite establecer, para una búsqueda dada, los artículos máscitados en la temática tratada.  

La búsqueda preliminar arrojó un total de 380publicaciones de esta temática dentro del directorio Scopus,a partir del año 1998 a la actualidad. De estas se seleccionaron 19 ya que sonlas publicaciones que relacionan la incidencia económica de diferentesmateriales de almacenamiento de energía térmica.

A travésdel mencionadoanálisis se determina en este trabajo, cuales son los países que más resultadosposeen en las investigaciones de la tecnología de almacenamiento de energíatérmica, las áreas tecnológicas de mayor aplicabilidad, y por último los costospor unidad de masa de diferentes materiales de almacenamiento de energíatérmica. 

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Un sistema de acumulación térmica consta de trespartes: medio de almacenamiento, intercambiador de calor y tanque dealmacenamiento. El medio de almacenamiento puede ser por calor sensible, calorlatente o material de almacenamiento termoquímico (Kuraviet al., 2013).

El propósito del intercambiador de calor essuministrar o extraer calor del medio de almacenamiento. El tanque dealmacenamiento contiene el medio de almacenamiento y aísla el sistema de losalrededores. Los sistemas de acumulación térmica deben ser diseñados paracumplir con ciertos criterios, que dependen del tipo, tamaño y diseño de laaplicación con instalación que operara (Kuravi etal., 2013).

Antes de elegir un sistema de almacenamiento deenergía térmica adecuado, es necesario realizar un análisis exhaustivo de todoslos requisitos. El sistema de acumulación tiene que ser compatible con todaslas otras unidades de la instalación;además,debe ajustarse a la estrategia operacional global de la instalación, como elrango de temperaturas operativas, el número de horas de almacenamientorequerido, la tasa de carga y descarga, la integración con el sistema derecolección solar, etc. Deberá garantizar su estabilidad a largo plazo, esdecir, el número de ciclos que tanto el contenedor como el medio dealmacenamiento pueden soportar sin la degradación de sus propiedades (Zhou et al., 2017). La estabilidad a largo plazo delsistema puede verse comprometida por dos factores, la escasa estabilidad de laspropiedades de los materiales sometidos a ciclos térmicos extensivos y/ocorrosión e incompatibilidad química entre los materiales de cambio de fase ysu recipiente (Ruiz-Cabañas et al., 2017). Por consiguiente, debe elegirse elmaterial de almacenamiento más adecuado, el intercambiador de calor entre elmaterial de almacenamiento térmico y el fluido de transferencia de calor.

En la figura 1 se muestra las naciones con mayornúmero de investigaciones en revistas de alto impacto, en el área de lastecnologías de almacenamiento de energía térmica.

 

 

Las naciones que presentan los mayores consumos deenergía ven una alternativa fiable, eficiente y económica en las prácticas dealmacenamiento de energía.

Las principales líneas de investigación donde seestán desarrollando estas técnicas y sistemas de acumulación térmica semuestran en la figura 2.

 

Comose puede observar los trabajos más populares se reflejan en investigaciones enel área de la energética (Ahmed et al., 2017). Las investigaciones eningeniería están dirigidas a las características constructivas y lascombinaciones de operación óptimas en las instalaciones térmicas, ya sea decalefacción, climatización, o potencia (Rodríguez et al., 2016). 

 

Losproyectos dirigidos a la optimización de las característica química y físicasde los materiales de almacenamiento térmico, son una línea de investigación quereporta un gran número de resultados en la última década (Tayet al., 2016).

 

Eléxito de cualquier tecnología de almacenamiento de energía térmica tiene unafuerte dependencia del costo de la tecnología seleccionada. Para la aplicacióna alta temperatura del almacenamiento de energía térmica, la evaluación decostos puede realizarse dentro del marco de los modelos de costo de energíanivelada (Levelized Cost ofEnergy LCOE). En el caso de almacenamiento de energíatérmica de baja temperatura para aplicaciones como calefacción o enfriamientoen edificios, se puede hacer un análisis del Ciclo de Vida para estimar elcosto sobre la vida útil total del sistema.

 

El Departamento de Energía de EE.UU. y el Laboratorio Nacional de EnergíasRenovables han publicado modelos LCOE para estimar el costo de capital y elcosto operacional de las instalaciones térmicas con concentradores solares ysistemas de acumulación térmica. LCOE se expresa en unidades como $/MWh. Para el sistema de almacenamiento de energía térmica,las principales fuentes de costo son: el material de almacenamiento, elcontenedor, la encapsulación y los gastos generales. Haciendo referencia altrabajo (Nkhonjera et al., 2016) para un ejemplo deanálisis de costos de instalaciones de captación de energía solar conconcentradores acoplados a sistemas de almacenamiento de energía térmica. Sepuede apreciar que LCOE depende de muchos parámetros de entrada diferentes yespecíficos para un diseño de instalación particular. Para lograr la estimaciónexacta del importe económico se necesita un análisis de costos detallado paralos diseños específicos de la planta o instalación. Un parámetro de entrada importantees el precio por unidad de masa de material de almacenamiento de energíatérmica utilizado, que se expresa en $/kg. La tabla 1 muestra el costo porunidad de masa de diferentes materiales de almacenamiento de energía térmicajunto con otras propiedades del material.El empleolas siguientes reglas permite entender cómo las propiedades de los materialesrefieren el costo total.

 

a) Auna mayor densidad, el calor latente de fusión y el calor específico delmaterial de almacenamiento dan como resultado una mayor densidad almacenamientode energía que reduce las dimensiones del recipiente. Esto reduce la parte delcoste del contenedor, por lo que el costo de capital disminuye.

 

b) Auna menor conductividad térmica se requiere un aumento de la conductividadtérmica a través de métodos como la encapsulación. Este proceso incrementa elcosto capital del sistema.

 

 

CONCLUSIONES

1. La mayoría de los estudios referentes a lastecnologías de almacenamiento térmico están representados por los EstadosUnidos de América y China, ya que estas naciones muestran un importante volumende investigaciones en esta temática en las revistas de mayor impacto a nivelmundial.

2. En las tecnologías de acumulación térmica las líneasde investigación que más resultados visualizan son: las investigaciones enenergética, las investigaciones en ingeniería y los estudios en ciencia demateriales.  

3. En el área de alta temperatura, los materialesinorgánicos como las sales de nitrato son los materiales de almacenamiento deenergía térmica más utilizados, mientras que, en las áreas de media e inferiortemperatura, los materiales orgánicos como la parafina comercial son los másutilizados.

4. El éxito de cualquier tecnología de almacenamientode energía térmica tiene una fuerte dependencia del costo del material deacumulación térmica seleccionado, por ellos los proyectos dirigidos a la optimizaciónde las características químicas y físicas de los materiales de almacenamientotérmico son una de las tendencias investigativas.

 

REFERENCIAS

Ahmed, S.F., Khalid,M., Rashmi, W., Chan, A., y Shahbaz, K., Recentprogress in solar thermal energy storage using nanomaterials., Renewable andSustainable Energy Reviews, Vol. 67, 2017, pp. 450-460.

Cárdenas, B., y León,N., High temperature latent heat thermal energy storage: Phase changematerials, design considerations and performance enhancement techniques.,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 27, 2013, pp. 724-737.

Chen, H., Cong, T.N.,Yang, W., Tan, C., Li, Y., y Ding, Y., Progress in electrical energy storagesystem: A critical review., Progress in Natural Science, Vol. 19, No. 3, 2009,pp. 291-312.

Farid, M.M., Khudhair, A.M., Razack, S.A.K., y Al-Hallaj, S.,A review on phase change energy storage: materials and applications.,Energy Conversion and Management, Vol. 45, No. 9, 2004,pp. 1597-1615.

Gil, A., Medrano, M.,Martorell, I., Lázaro, A., Dolado, P., Zalba, B., y Cabeza, L. F., State of the art on high temperature thermalenergy storage for power generation. Part 1-Concepts, materials and modellization.,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 14, No. 1, 2010, pp. 31-55.

Hasnain, S., Review on sustainable thermal energy storagetechnologies, Part I: heat storage materials and techniques.,Energy Conversion and Management, Vol. 39, No. 11, 1998, pp.1127-1138.

Khalifa, A., Tan, L., Mahony, D.,Date, A., y Akbarzadeh, A., Numerical analysis oflatent heat thermal energy storage using miniature heat pipes: A potentialthermal enhancement for CSP plant development.,Applied Thermal Engineering, Vol. 10-8, No. 4,  2016, pp. 93-103.

Köberle, A.C., Gernaat, D.E., y vanVuuren, D.P., Assessing current and futuretechno-economic potential of concentrated solar power and photovoltaicelectricity generation., Energy, Vol. 89, 2015, pp. 739-756.

Kuravi, S., Trahan, J., Goswami,D.Y., Rahman, M.M., & Stefanakos, E.K., Thermalenergy storage technologies and systems for concentrating solar power plants.,Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 39, No. 4, 2013, pp. 285-319.

Liu, M., Saman, W., y Bruno, F., Review on storage materials andthermal performance enhancement techniques for high temperature phase changethermal storage systems., Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 16,No. 4, 2012, pp. 2118-2132.

Nkhonjera, L., Bello-Ochende, T.,John, G., y King'ondu, C.K., A review of thermalenergy storage designs, heat storage materials and cooking performance of solarcookers with heat storage., Renewable and SustainableEnergy Reviews, Vol. 3-12, No. 2, 2016, pp. 204-221.

Pielichowska, K., y Pielichowski, K.,Phase change materials for thermal energy storage., Progressin materials science., Vol. 65, 2014, pp.67-123.

Rodríguez, J.M.,Sánchez, D., Martínez, G.S., Bennouna,E.G., y Ikken, B., Techno-economic assessment ofthermal energy storage solutions for a 1 MWe CSP-ORCpower plant., Solar Energy, Vol. 140, 2016, pp. 206-218.

Ruiz-Cabañas, F.J., Jové, A., Prieto,C., Madina, V., Fernández, A.I., & Cabeza, L.F., Materials selection of steam-phase change material (PCM) heat exchangerfor thermal energy storage systems in direct steam generation facilities., Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol.159, 2017, pp. 526-535.

Shivashankar, S., Mekhilef, S., Mokhlis, H., & Karimi, M.,Mitigating methods of power fluctuation of photovoltaic (PV) sources–A review.,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 59, 2016,pp. 1170-1184.

Tay, N.H.S., Liu, M., Belusko,M., y Bruno, F., Review on transportable phase change material in thermalenergy storage systems., Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 12-4, No. 4, 2016, pp. 313-326.

Vijayakumar, G., Kummert, M., Klein,S.A., y Beckman, W.A., Analysis of short-term solar radiation data., SolarEnergy, Vol. 79, No. 5, 2005, pp. 495-504.

Xu, B., Li, P., yChan, C., Application of phase change materials for thermal energy storage inconcentrated solar thermal power plants: a review to recent developments.,Applied Energy, Vol. 160, 2015, pp. 286-307.

Zhou, N., Yu, Y., Yi,J., & Liu, R., A study on thermal calculation method for a plasticgreenhouse with solar energy storage and heating.,Solar Energy, Vol. 142, 2017, pp. 39-48.

 

 

Recibido: Marzo 23,2017
Revisado: Abril 19, 2017
Aceptado: Junio 6, 2017