Què és l'emmagatzematge d'energia tèrmica?

L'emmagatzematge d'energia tèrmica (TES) és una tecnologia que permet emmagatzemar i alliberar calor o fred en un moment posterior. TES es pot utilitzar per equilibrar l'oferta i la demanda d'energia, especialment de fonts renovables com ara solar i el vent, que són intermitents i variables. TES també pot millorar l'eficiència energètica d'edificis, indústries i centrals elèctriques, reduint la càrrega màxima i millorant el rendiment dels sistemes de calefacció i refrigeració. TES pot ajudar a reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle, reduir els costos energètics i augmentar la fiabilitat i la resistència dels sistemes energètics.

TES té moltes aplicacions en diferents sectors i regions, com ara:

• Calefacció i refrigeració d'edificis, mitjançant TES estacional o TES diürn
• Generació d'energia, utilitzant energia solar concentrada (CSP) o combinada de calor i energia (CHP)
• Processos industrials, mitjançant recuperació de calor residual o integració de calor de procés
• Transport, utilitzant magatzems frigorífics per a aliments o emmagatzematge de gel per a l'aire condicionat
• Agricultura, utilitzant calefacció d'hivernacle o assecat de cultius

En aquesta entrada del blog, explorarem els diferents tipus de TES, els seus avantatges i inconvenients, i alguns exemples de materials i tecnologies utilitzats per a cada tipus. També parlarem del potencial i els reptes del TES per al futur dels sistemes energètics.

Tipus d'emmagatzematge d'energia tèrmica

Els TES es poden classificar en tres categories, en funció de la manera com s'emmagatzema i allibera la calor: calor sensible, calor latent i emmagatzematge de calor termoquímic.

• L'emmagatzematge de calor sensible és el tipus més comú i senzill de TES, on la calor s'emmagatzema augmentant o baixant la temperatura d'un medi líquid o sòlid, com ara aigua, sals foses, metalls o roques. La quantitat de calor emmagatzemada depèn de la massa, la calor específica i la diferència de temperatura del medi. L'emmagatzematge de calor sensible té una capacitat d'emmagatzematge baixa, però una alta eficiència, baix cost i alta seguretat.
• L'emmagatzematge de calor latent és un tipus més avançat de TES, on la calor s'emmagatzema canviant la fase d'un material, com ara la fusió, la congelació, la vaporització o la condensació. El material s'anomena material de canvi de fase (PCM). La quantitat de calor emmagatzemada depèn de la massa, la calor latent i la temperatura de transició de fase del PCM. L'emmagatzematge de calor latent té una gran capacitat d'emmagatzematge, però una baixa eficiència, alt cost i poca seguretat.
• L'emmagatzematge de calor termoquímic és el tipus més nou i complex de TES, on la calor s'emmagatzema trencant o formant enllaços químics en una reacció reversible, com ara hidratació, deshidratació, oxidació o reducció. El material s'anomena material termoquímic (TCM). La quantitat de calor emmagatzemada depèn de la massa, l'entalpia i la constant d'equilibri de la reacció. L'emmagatzematge de calor termoquímic té una capacitat d'emmagatzematge molt alta, però una eficiència molt baixa, un cost molt elevat i una seguretat molt baixa.

A les seccions següents, parlarem de cada tipus de TES amb més detall i oferirem alguns exemples de materials i tecnologies utilitzats per a cada tipus.

! Emmagatzematge de calor sensible)

Emmagatzematge de calor sensible

L'emmagatzematge de calor sensible és el tipus de TES més utilitzat, ja que és senzill, fiable i econòmic. El principi de l'emmagatzematge de calor sensible és emmagatzemar calor augmentant o disminuint la temperatura d'un medi líquid o sòlid, sense canviar-ne la fase. La calor es pot alliberar invertint el procés, és a dir, disminuint o augmentant la temperatura del medi.

L'opció més comuna i àmpliament utilitzada per a l'emmagatzematge de calor sensible són els dipòsits d'aigua, que poden emmagatzemar aigua calenta o freda amb finalitats de calefacció o refrigeració. Els dipòsits d'aigua es poden classificar en dos tipus: estratificats i mixtos. Els dipòsits d'aigua estratificats tenen una capa d'aigua calenta a sobre d'una capa d'aigua freda, separats per una termoclina. Els dipòsits d'aigua mixta tenen una temperatura uniforme a tot el dipòsit, que s'aconsegueix remenant o bombejant l'aigua. Els dipòsits d'aigua estratificats tenen una capacitat d'emmagatzematge i una eficiència superiors als dipòsits d'aigua mixtes, però requereixen un disseny i un funcionament més acurats per mantenir l'estratificació.

Algunes opcions alternatives per a l'emmagatzematge de calor sensible són les sals foses, els metalls o l'emmagatzematge d'energia tèrmica subterrània (UTES). Les sals foses són mescles de sals que es fonen a altes temperatures, com el nitrat de sodi i el nitrat de potassi. Poden emmagatzemar calor a temperatures de fins a 600 °C i s'utilitzen per a plantes CSP. Els metalls són materials que tenen una alta conductivitat tèrmica i calor específica, com l'alumini, el coure o l'acer. Poden emmagatzemar calor a temperatures de fins a 1000 °C i s'utilitzen per a processos industrials. UTES és un mètode per emmagatzemar calor al sòl, utilitzant forats, aqüífers o cavernes. Pot emmagatzemar calor a temperatures de fins a 90 °C, i s'utilitza per a la calefacció i refrigeració estacional d'edificis.

!Emmagatzematge de calor latent)

Emmagatzematge de calor latent

L'emmagatzematge de calor latent és un tipus de TES més avançat, ja que pot emmagatzemar més calor en un volum més petit i a una temperatura constant. El principi d'emmagatzematge de calor latent és emmagatzemar calor canviant la fase d'un material, com ara la fusió, la congelació, la vaporització o la condensació. El material s'anomena material de canvi de fase (PCM). La calor es pot alliberar invertint el procés, és a dir, canviant la fase del material al seu estat original.

Els principals reptes i oportunitats d'utilitzar PCM per a TES són:

• Trobar PCM adequat que tingui una gran calor latent, baix cost, alta estabilitat i baix impacte ambiental
• Millorar la conductivitat tèrmica i la transferència de calor del PCM, que solen ser baixes i lentes
• Integració de PCM amb altres components i sistemes, com ara intercanviadors de calor, canonades, bombes o contenidors

Alguns exemples de tipus i aplicacions de PCM són:

• El gel és un PCM que es congela i es fon a 0 °C i té una calor latent de 334 kJ/kg. Es pot utilitzar per a emmagatzematge en fred o aire condicionat, utilitzant dipòsits de gel, purins de gel o sistemes de gel en bobina.
• La parafina és un PCM que es fon i es solidifica a diverses temperatures, depenent de la longitud de la cadena de carboni, i té una calor latent de 200-250 kJ/kg. Es pot utilitzar per escalfar o refredar, utilitzant càpsules, panells o tubs de parafina.
• Els hidrats de sal són PCM que es deshidraten i s'hidraten a diferents temperatures, segons el tipus de sal i la composició, i tenen una calor latent de 250-500 kJ/kg. Es poden utilitzar per escalfar o refredar, utilitzant compostos d'hidrat de sal, pellets o maons.

!Emmagatzematge de calor termoquímic)

Emmagatzematge de calor termoquímic

L'emmagatzematge de calor termoquímic és el tipus de TES més nou i complex, ja que pot emmagatzemar quantitats molt grans de calor durant períodes de temps molt llargs, sense pèrdues de calor. El principi de l'emmagatzematge de calor termoquímic és emmagatzemar calor trencant o formant enllaços químics en una reacció reversible, com ara hidratació, deshidratació, oxidació o reducció. El material s'anomena material termoquímic (TCM). La calor es pot alliberar invertint la reacció, és a dir, formant o trencant els enllaços químics.

Els principals avantatges i limitacions de l'ús d'emmagatzematge termoquímic per a TES són:

• Capacitat i densitat d'emmagatzematge molt elevades, ja que la calor s'emmagatzema en forma d'energia química, que és molt superior a l'energia tèrmica
• Pèrdues de calor molt baixes, ja que la calor s'emmagatzema en forma de productes químics, que són estables i inerts
• Temperatura d'emmagatzematge molt elevada, ja que la calor s'allibera per reaccions exotèrmiques, que poden arribar fins a 1000 °C
• Eficiència i potència molt baixes, ja que la calor s'allibera per reaccions lentes i complexes, que requereixen catalitzadors i reactors.
• Cost i risc molt elevats, ja que els materials i les tecnologies són cars i perillosos

Alguns exemples de sistemes i materials d'emmagatzematge termoquímic són:

• Els hidrurs metàl·lics són TCM que absorbeixen i alliberen hidrogen a diferents temperatures i pressions, depenent del tipus i composició del metall, i tenen una entalpia de 20-200 kJ/mol. Es poden utilitzar per escalfar o refredar, utilitzant llits d'hidrur metàl·lic, reactors o dipòsits.
• L'absorció és un procés que implica l'adsorció o absorció d'un gas o un líquid per un sòlid o un líquid, com l'aigua per zeolites o sals. Pot emmagatzemar calor a diferents temperatures i pressions, depenent del tipus i concentració de sorbent i sorbat, i té una entalpia de 50-500 kJ/kg. Es pot utilitzar per escalfar o refredar, utilitzant refrigeradors d'absorció, bombes de calor o mòduls.
• La síntesi de metanol és una reacció que converteix el diòxid de carboni i l'hidrogen en metanol i aigua, i viceversa. Pot emmagatzemar calor a temperatures de 200-300°C i pressions de 50-100 bar, i té una entalpia de 90 kJ/mol. Es pot utilitzar per a la generació d'energia, utilitzant reactors de síntesi de metanol, turbines o piles de combustible.

Conclusió

En aquesta entrada del blog, hem conegut els diferents tipus de TES, els seus avantatges i inconvenients, i alguns exemples de materials i tecnologies utilitzats per a cada tipus. També hem comentat el potencial i els reptes del TES per al futur dels sistemes energètics.

TES és una tecnologia prometedora que pot ajudar a aconseguir un futur sostenible i d'energia neta, permetent la integració de fonts d'energia renovables, millorant l'eficiència energètica d'edificis, indústries i centrals elèctriques, i reduint les emissions de gasos d'efecte hivernacle, els costos energètics i problemes de fiabilitat i resiliència dels sistemes energètics.

No obstant això, TES també s'enfronta a moltes barreres tècniques, econòmiques i socials, com ara la manca d'estandardització, regulació i conscienciació, l'elevada inversió inicial i els costos operatius, i els riscos de seguretat i medi ambient. Per tant, calen més investigació i desenvolupament, demostració i desplegament, i suport polític i de mercat per superar aquests reptes i promoure l'adopció i la difusió de TES.