Cómo los edificios pueden beneficiarse de los sistemas de almacenamiento de calor

El almacenamiento de energía tiene aplicaciones prometedoras en edificios y generación de energía limpia. Aunque los medios de comunicación se han centrado recientemente en las baterías de iones de litio, existen otras formas viables de almacenamiento de energía, y un ejemplo es el almacenamiento de calor. Dado que la calefacción de espacios y el agua caliente representan una gran parte del consumo de energía en los edificios de EE. UU., las oportunidades para utilizar el almacenamiento de calor son abundantes.

Un sistema de almacenamiento de calor puede ser tan simple como un tanque de agua con un aislamiento eficaz, ya que el agua puede contener grandes cantidades de calor en un volumen compacto. Cuando un metro cúbico de agua reduce su temperatura en 10°C, libera 41.870 kilojulios de calor, equivalente a 39.685 BTU. El agua caliente se puede usar directamente, o puede proporcionar calefacción al espacio al circular a través de controladores de aire o tuberías de calefacción radiante.


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Aplicaciones del almacenamiento de agua caliente

Cuando los sistemas de calefacción usan gas natural o fuel oil, su costo operativo no se ve afectado por el tiempo de uso: calentar 100 galones de agua tiene el mismo costo a cualquier hora. Sin embargo, la calefacción por combustión produce emisiones locales, y la calefacción eléctrica con energía limpia se encuentra entre las alternativas propuestas para reducir la contaminación de los edificios.

Cómo los edificios pueden beneficiarse de los sistemas de almacenamiento de calor

La calefacción eléctrica es sensible al tiempo de uso, a diferencia de la calefacción de combustión, y su uso puede resultar muy costoso si no se gestiona adecuadamente:

  • Los consumidores de energía con tarifas de tiempo de uso pagan un precio de kilovatio-hora muy alto durante las horas de mayor demanda.

  • Los grandes consumidores con cargo por demanda son facturados por sus picos de consumo más altos, además de la facturación normal por la cantidad de energía utilizada.

El calentamiento por resistencia eléctrica ha existido durante décadas, pero su costo operativo es alto porque cada kilovatio de producción de calor requiere un kilovatio de entrada de electricidad. Por otro lado, las bombas de calor eléctricas entregan entre 2 y 6 kilovatios de calor por cada kilovatio de electricidad. El coeficiente de rendimiento (COP) depende del tipo específico de bomba de calor, su diseño y sus condiciones de funcionamiento:

La calefacción de espacios y el agua caliente sanitaria tienen un impacto ambiental mínimo cuando utilizan bombas de calor impulsadas por electricidad de bajo costo proveniente de turbinas eólicas y parques solares. La principal desventaja de esta configuración es la salida variable de los sistemas de energía solar y eólica, pero el almacenamiento de agua caliente puede equilibrar el suministro de energía y la demanda de calefacción.

Dado que la electricidad es mucho más fácil de transportar que el agua, la ubicación ideal para el almacenamiento de agua caliente es cerca del punto de uso. Cuando un depósito de agua caliente está lejos del punto de uso, el bombeo puede provocar un aumento significativo de los costes operativos. Considere también que las tuberías más largas conllevan mayores pérdidas de calor.

Almacenamiento de calor a gran escala

El almacenamiento de calor distribuido es una mejora viable para la calefacción de espacios y los sistemas de agua caliente sanitaria. Sin embargo, el almacenamiento de calor también se ha probado a escala de servicios públicos, junto con la energía solar concentrada (CSP).

Cómo los edificios pueden beneficiarse de los sistemas de almacenamiento de calor

A diferencia de una matriz fotovoltaica, que utiliza módulos solares, una instalación de CSP concentra la luz solar con espejos. El intenso calentamiento localizado es suficiente para accionar una turbina de vapor y un generador:

  • El calor concentrado derrite una sal especial, típicamente nitrato de sodio o nitrato de potasio.

  • La sal fundida viaja a un intercambiador de calor, donde hierve el agua en vapor para impulsar las turbinas.

Con esta configuración, la sal fundida se almacena en recipientes refractarios, donde retiene el calor durante períodos prolongados. De esta forma, el sistema puede seguir produciendo vapor para las turbinas incluso cuando no hay luz solar. Si bien los paneles fotovoltaicos ofrecen un costo de electricidad más bajo que los sistemas CSP con sales fundidas, no pueden entregar energía eléctrica bajo demanda.

A diferencia de los conjuntos fotovoltaicos, las estaciones CSP requieren una gran escala para ser económicamente viables. Para el propietario de un edificio que quiere maximizar el uso de energía renovable, un sistema solar fotovoltaico con almacenamiento de energía ofrece la flexibilidad para una escala reducida. Las estaciones de CSP para la autogeneración son posibles para los usuarios que alcanzan la escala de megavatios; los grandes parques de fabricación serían candidatos viables.

Este concepto aún es relativamente nuevo y solo se ha implementado en unas pocas centrales eléctricas en todo el mundo. La primera aplicación comercial de CSP con almacenamiento de calor en EE. UU. fue la central Crescent Dunes de 110 MW en Nevada.

Conclusión

El almacenamiento de calor permite un mayor uso de energía limpia en aplicaciones de calefacción de espacios y agua caliente sanitaria, que tradicionalmente han dependido de la combustión. El almacenamiento de agua caliente puede lograr sinergia con las bombas de calor, que entregan entre 2 y 6 kWh de calor por cada kWh de electricidad consumida. Aunque el almacenamiento de calor también se puede usar con calentadores de resistencia convencionales, el sistema se vuelve ineficiente y costoso de operar.

La sal fundida se ha utilizado con éxito como medio de almacenamiento de calor en la generación a gran escala, ya que puede producir vapor incluso cuando no se dispone de una fuente de calor. La sal fundida se ha utilizado para proporcionar generación nocturna en plantas de energía solar concentrada, y también puede capturar el calor del almacenamiento de energía de aire comprimido, otra tecnología emergente.