Una batería de Carnot es un tipo de sistema de almacenamiento de energía que almacena electricidad en almacenamiento de energía térmica . Durante el proceso de carga, la electricidad se convierte en calor y se almacena en un almacenamiento de calor. Durante el proceso de descarga, el calor almacenado se convierte nuevamente en electricidad. [1] [2]
Además, “Marguerre” patentó el concepto de esta tecnología desde hace 100 años [3], pero el desarrollo de este concepto solo se ha revitalizado recientemente para aumentar la proporción de energía suministrada por fuentes renovables. Por otro lado, “Andre Thess” inventó el término Carnot Battery en 2018 antes del primer Taller Internacional sobre Carnot Batteries. [4]
El nombre "batería de Carnot" proviene del teorema de Carnot , que describe la máxima eficiencia de convertir el calor en energía mecánica . La palabra "batería" indica que el propósito de esta tecnología es almacenar electricidad. La eficiencia de descarga de las baterías Carnot está limitada por la eficiencia de Carnot .
El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Stuttgart han estado trabajando en el concepto de baterías Carnot que almacenan electricidad en almacenamiento de calor a alta temperatura desde 2014. [5] En 2018, el nombre "batería Carnot" se utilizó en Hannover Messe . [6] una de las ferias comerciales más grandes del mundo, por DLR. [5] Sin embargo, el concepto de baterías de Carnot cubre las tecnologías que se han desarrollado durante años, [7] como el almacenamiento de energía térmica por bombeo [8] [9] y el almacenamiento de energía de aire líquido .
Fondo
En la transición a sistemas de energía con bajas emisiones de carbono, aumenta la penetración de energía renovable variable en los sistemas de energía eléctrica, y esto también aumenta la necesidad de almacenamiento de energía . Actualmente, la mayor parte de la nueva capacidad de almacenamiento de energía instalada proviene de baterías electroquímicas , como las baterías de iones de litio. Este tipo de batería es adecuado para almacenamiento a corto plazo, pero puede no ser económico para duraciones más largas debido a sus altos costos de capacidad de energía. [7] El almacenamiento de energía térmica puede almacenar energía en materiales económicos, como agua, rocas y sales. Por lo tanto, el costo de los sistemas a gran escala (por ejemplo, gigavatios hora) puede ser menor que el de las baterías electroquímicas. [5]
Energy Storage Annex 36 - Carnot Batteries es un grupo de trabajo bajo el programa de Conservación de Energía y Almacenamiento de Energía (ECES), que es parte de un Programa de Colaboración Tecnológica (TCP) de la Agencia Internacional de Energía (IEA) . [10]
Configuración del sistema
Un sistema de batería de Carnot se puede dividir en tres partes: energía térmica (P2T), almacenamiento de energía térmica (TES) y energía térmica (T2P).
Tecnología de electricidad para calentar
La electricidad se puede convertir en calor mediante el uso de diversas tecnologías. [1]
- Calentamiento resistivo
- La bomba de calor es la tecnología para bombear calor desde un depósito de temperatura más baja a una temperatura más alta. Se puede dividir en dos grupos: ciclo inverso de Rankine y ciclo inverso de Brayton .
- El ciclo inverso de Rankine se ha utilizado ampliamente en bombas de calor convencionales.
- El concepto de utilizar el ciclo de Brayton para cargar y descargar energía térmica fue propuesto por el profesor Robert B. Laughlin en 2017. [11]
- Otros: En los sistemas de almacenamiento de energía de aire líquido, el ciclo Claude se utiliza para licuar el aire. El proceso Lamm-Honigmann utiliza ciclos termoquímicos para convertir la energía en calor. [12]
Almacenamiento de energía térmica
Según el mecanismo para almacenar calor, el almacenamiento de energía térmica se puede dividir en tres tipos: almacenamiento de calor sensible , almacenamiento de calor latente y almacenamiento termoquímico. Los materiales de almacenamiento que se han utilizado para las baterías Carnot son:
- Agua caliente
- Sal fundida
- Rocas de lecho compacto
- Aire liquido
- Almacenamiento de energía térmica de calor latente [13]
- Materiales termoquímicos (pares de productos químicos), como LiBr / H 2 O y H 2 O / NH 3 [12]
Calor a electricidad
El calor se puede convertir en energía a través de ciclos termodinámicos, como el ciclo Rankine o el ciclo Brayton. Algunas tecnologías utilizan la propiedad de los materiales semiconductores para convertir el calor en electricidad, y esas no se consideran una batería de Carnot porque no hay ciclos termodinámicos involucrados en el proceso de conversión, como los materiales termoeléctricos y el "Sol en una caja". [14] Las tecnologías típicas son:
- Motor térmico
- Turbina de vapor
- Turbina de gas
- Máquinas de ciclo Rankine orgánicas
- El proceso de Lamm-Honigmann puede convertir la energía almacenada en almacenamiento termoquímico en electricidad. [12]
Ventajas desventajas
La batería de Carnot ha sido conocida por varios otros nombres, como “Almacenamiento de electricidad térmica por bombeo” (PTES) o “Almacenamiento de electricidad por calor bombeado” (PHES). Esta tecnología relativamente nueva se ha convertido en una de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala más prometedoras.
Las principales ventajas de Carnot Battery son: [15]
- Libre elección de sitio;
- Pequeña huella ambiental;
- Esperanza de vida de 20 a 30 años;
- Capacidad de respaldo opcional de bajo costo;
- Los componentes de una planta de energía de combustibles fósiles infrautilizados se pueden reutilizar parcialmente para construir la unidad de baterías de Carnot;
El principal inconveniente de esta tecnología es: [16]
- La eficiencia limitada de ida y vuelta 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, que relaciona la electricidad 𝑾𝒅𝒊𝒔 entregada, durante la descarga, con la electricidad 𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓 necesaria para cargar el sistema. Por cierto, las baterías de Carnot apuntan a una eficiencia del 40-70%, que es menor que la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (65-85%). [17]
Solicitud
Las baterías de Carnot se pueden utilizar como almacenamiento de energía de la red para almacenar el exceso de energía de fuentes de energía renovables variables y para producir electricidad cuando se necesita.
Algunos sistemas de baterías de Carnot pueden utilizar el calor o el frío almacenados para otras aplicaciones, como calefacción y refrigeración de distrito para centros de datos .
Las baterías de Carnot se han propuesto como una solución para convertir las centrales eléctricas de carbón existentes en un sistema de generación libre de combustibles fósiles reemplazando la caldera de carbón. [18] [19] Se pueden utilizar las instalaciones existentes en las centrales eléctricas, como los sistemas de generación de energía y los sistemas de transmisión.
Lista de proyectos de baterías de Carnot
Aunque el término batería de Carnot es nuevo, muchas tecnologías existentes se pueden clasificar como baterías de Carnot. [7]
- Almacenamiento de energía de aire líquido: Highview Power , Universidad de Birmingham
- Almacenamiento de energía térmica bombeada: Malta Inc. , Universidad de Durham
- Almacenamiento de energía eléctrica térmica: Siemens Gamesa , Laboratorio Nacional de Energías Renovables
- Bomba de calor reversible / ORC: Universidad de Lieja [20]
- Almacenamiento de energía Lamm-Honigmann: Universidad Técnica de Berlín [21]
Ver también
- Almacen de energia
- Almacenamiento de energía de la red
- Almacenamiento de energía térmica
Referencias
- ^ a b Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vincent (2020). "Tecnología de batería de Carnot: una revisión de vanguardia". Revista de almacenamiento de energía . 32 : 101756. doi : 10.1016 / j.est.2020.101756 . ISSN 2352-152X .
- ^ "Anexo 36 de almacenamiento de energía de la IEA - Baterías de Carnot" . Programa de colaboración tecnológica Almacenamiento de energía, Agencia Internacional de Energía . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
- ^ Marguerre F., «Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie. Mitteilungen der Vereinigung der Elektrizitätswerke 1924; 354 (55): 27e35.
- ^ https://iea-eces.org/events/international-workshop-on-carnot-batteries/
- ^ a b c "Baterías de Carnot: almacenamiento de energía de bajo costo e independiente de la ubicación en el rango de gigavatios hora" . Centro Aeroespacial Alemán (DLR). 2018.
- ^ "HANNOVER MESSE (ferias industriales), 23-27 de abril de 2018" .
- ^ a b c Josh McTigue (4 de diciembre de 2019). " " Baterías Carnot "para almacenamiento de electricidad" (PDF) . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
- ^ "Carnot Battery Energy Storage: una solución más rentable y flexible para el almacenamiento de energía a escala de red" . Eventos Rushlight. 30 de enero de 2019 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
- ^ Steinmann, Wolf-Dieter; Jockenhöfer, Henning; Bauer, Dan (2019). "Análisis termodinámico de conceptos de batería de Carnot de alta temperatura" . Tecnología energética . 8 (3): 1900895. doi : 10.1002 / ente.201900895 . ISSN 2194-4288 .
- ^ "Convervación y almacenamiento de energía (ECES)" . Consultado el 28 de octubre de 2020 .
- ^ Laughlin, Robert B. (2017). "Almacenamiento de rejilla térmica bombeada con intercambio de calor" . Revista de Energías Renovables y Sostenibles . 9 (4): 044103. doi : 10.1063 / 1.4994054 . ISSN 1941-7012 .
- ^ a b c Thiele, Elisabeth; Jahnke, Anna; Ziegler, Felix (2020). "Eficiencia del almacenamiento de energía termoquímica Lamm-Honigmann". Progreso en Ingeniería y Ciencia Térmica . 19 : 100606. doi : 10.1016 / j.tsep.2020.100606 . ISSN 2451-9049 .
- ^ "La primera batería Carnot del mundo almacena electricidad en calor" . Iniciativa alemana de soluciones energéticas. 20 de septiembre de 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
- ^ Jennifer Chu (5 de diciembre de 2018). " " Sun in a box "almacenaría energía renovable para la red" . Oficina de noticias del MIT . Consultado el 30 de octubre de 2020 .
- ^ W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer, et M. Johnson, «Almacenamiento de energía térmica bombeada (PTES) como tecnología de acoplamiento de sectores inteligente para calor y electricidad», Energía, vol. 183, pág. 185-190, sept. 2019, doi: 10.1016 / j.energy.2019.06.058.
- ^ WD Steinmann, «El concepto CHEST (almacenamiento de energía térmica comprimida) para el almacenamiento de energía termomecánica a escala de instalaciones», Energy, vol. 69, pág. 543‑552, mayo de 2014, doi: 10.1016 / j.energy.2014.03.049.
- ^ A. Koen et PF Antunez, «Cómo se puede utilizar el calor para almacenar energía renovable», The Conversation. http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (consulte le févr.27, 2020).
- ^ Susan Kraemer (16 de abril de 2019). "Fabricación de baterías Carnot con almacenamiento de energía térmica en sales fundidas en antiguas plantas de carbón" . SolarPACES.
- ^ "Webinar sobre baterías Carnot" (PDF) . Perspectivas de ATA. Abril de 2019 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
- ^ Olivier Dumont; Vincent Lemort (septiembre de 2020). "Primeros resultados experimentales de una batería de Carnot integrada térmicamente utilizando una bomba de calor reversible / ciclo de Rankine orgánico" . Conferencia: 2do Taller Internacional de Baterías Carnot 2020 . Consultado el 29 de octubre de 2020 .
- ^ "sitio web del proyecto" . TU Berlín . Consultado el 15 de abril de 2021 .
enlaces externos
- 2do Taller Internacional sobre Baterías Carnot, Universidad de Stuttgart, 15-16 de septiembre de 2020
- Taller internacional sobre baterías Carnot, Stuttgart, Alemania, 9-10 de octubre de 2018