El almacenamiento de energía térmica estacional (o STES ), también conocido como almacenamiento de energía térmica entre estaciones, [1] es el almacenamiento de calor o frío durante períodos de hasta varios meses. La energía térmica se puede recolectar siempre que esté disponible y usarse cuando sea necesario, como en la temporada contraria. Por ejemplo, el calor de los colectores solares o el calor residual de los equipos de aire acondicionado se puede acumular en los meses calurosos para calentar el espacio cuando sea necesario, incluso durante los meses de invierno. De manera similar, el calor residual de los procesos industriales se puede almacenar y utilizar mucho más tarde [2] o el frío natural del aire de invierno se puede almacenar para el aire acondicionado de verano. [3] [4]
Las tiendas STES pueden servir a sistemas de calefacción de distrito, así como a edificios o complejos individuales. Entre los almacenamientos estacionales usados para calefacción, las temperaturas máximas anuales de diseño generalmente están en el rango de 27 a 80 ° C (81 a 180 ° F), y la diferencia de temperatura que ocurre en el almacenamiento durante el transcurso de un año puede ser de varias decenas de grados. grados. Algunos sistemas usan una bomba de calor para ayudar a cargar y descargar el almacenamiento durante parte o todo el ciclo. Para aplicaciones de refrigeración, a menudo solo se utilizan bombas de circulación.
Los ejemplos de calefacción urbana incluyen Drake Landing Solar Community, donde el almacenamiento en el suelo proporciona el 97% del consumo anual sin bombas de calor , [5] y el almacenamiento en estanques daneses con refuerzo. [6]
Tecnologías STES
Hay varios tipos de tecnología STES, que cubren una gama de aplicaciones, desde pequeños edificios individuales hasta redes comunitarias de calefacción de distrito. Generalmente, la eficiencia aumenta y el costo de construcción específico disminuye con el tamaño.
Almacenamiento de energía térmica subterránea
- UTES (almacenamiento subterráneo de energía térmica), en el que el medio de almacenamiento pueden ser estratos geológicos que van desde la tierra o la arena hasta el lecho rocoso sólido o los acuíferos. Las tecnologías UTES incluyen:
- ATES ( almacenamiento de energía térmica del acuífero ). Un almacén de ATES se compone de un doblete, que totaliza dos o más pozos en un acuífero profundo que está contenido entre capas geológicas impermeables arriba y abajo. La mitad del doblete es para extracción de agua y la otra mitad para reinyección, por lo que el acuífero se mantiene en equilibrio hidrológico, sin extracción neta. El medio de almacenamiento de calor (o frío) es el agua y el sustrato que ocupa. El edificio del Reichstag de Alemania se ha calentado y enfriado desde 1999 con almacenes ATES, en dos acuíferos a diferentes profundidades. [7]
En los Países Bajos hay más de 1.000 sistemas ATES, que ahora son una opción de construcción estándar. [8] [9] Un sistema importante ha estado funcionando en Richard Stockton College (Nueva Jersey) durante varios años. [3] ATES tiene un costo de instalación más bajo que BTES porque generalmente se perforan menos orificios, pero ATES tiene un costo operativo más alto. Además, ATES requiere condiciones subterráneas particulares para ser factibles, incluida la presencia de un acuífero.
- BTES (almacenamiento de energía térmica de pozo). Los almacenes BTES se pueden construir dondequiera que se puedan perforar pozos , y están compuestos de uno a cientos de pozos verticales, típicamente de 155 mm (6,102 pulgadas) de diámetro. Se han construido sistemas de todos los tamaños, incluidos muchos bastante grandes. [10] [11] [12]
Los estratos pueden ser desde arena hasta roca dura cristalina, y dependiendo de los factores de ingeniería, la profundidad puede ser de 50 a 300 metros (164 a 984 pies). Los espaciamientos han variado de 3 a 8 metros (9,8 a 26,2 pies). Los modelos térmicos se pueden utilizar para predecir la variación estacional de temperatura en el suelo, incluido el establecimiento de un régimen de temperatura estable que se logra al hacer coincidir las entradas y salidas de calor durante uno o más ciclos anuales. Se pueden crear depósitos de calor estacionales de temperatura cálida utilizando campos de pozos para almacenar el calor excedente capturado en verano para elevar activamente la temperatura de grandes bancos térmicos de suelo para que el calor se pueda extraer más fácilmente (y más barato) en invierno. La transferencia de calor entre estaciones [13] utiliza agua que circula en tuberías incrustadas en colectores solares de asfalto para transferir calor a los bancos térmicos [14] creados en los campos de perforación. En invierno se utiliza una bomba de calor de fuente terrestre para extraer el calor del Banco Térmico y proporcionar calefacción a través de la calefacción por suelo radiante . Se obtiene un coeficiente de rendimiento alto porque la bomba de calor arranca con una temperatura cálida de 25 ° C (77 ° F) del acumulador térmico, en lugar de una temperatura fría de 10 ° C (50 ° F) desde el suelo. [15] Un BTES que opera en Richard Stockton College desde 1995 a un pico de aproximadamente 29 ° C (84,2 ° F) consta de 400 pozos de 130 metros (427 pies) de profundidad bajo un estacionamiento de 3,5 acres (1,4 ha). Tiene una pérdida de calor del 2% durante seis meses. [16] El límite superior de temperatura para una tienda BTES es 85 ° C (185 ° F) debido a las características de la tubería PEX utilizada para BHE, pero la mayoría no se acerca a ese límite. Los pozos pueden estar llenos de lechada o de agua, dependiendo de las condiciones geológicas, y por lo general tienen una esperanza de vida superior a los 100 años. Tanto un BTES como su sistema de calefacción de distrito asociado se pueden ampliar gradualmente después de que comience la operación, como en Neckarsulm, Alemania. [17] Las tiendas BTES generalmente no perjudican el uso de la tierra y pueden existir debajo de edificios, campos agrícolas y estacionamientos. Un ejemplo de uno de los varios tipos de STES ilustra bien la capacidad de almacenamiento de calor entre estaciones. En Alberta, Canadá, los hogares de Drake Landing Solar Community (en funcionamiento desde 2007) obtienen el 97% de su calor durante todo el año de un sistema de calefacción de distrito que se suministra mediante calor solar de paneles solares térmicos en los techos de los garajes. Esta hazaña, un récord mundial, es posible gracias al almacenamiento de calor entre estaciones en una gran masa de roca nativa que se encuentra debajo de un parque central. El intercambio térmico se produce a través de un grupo de 144 pozos perforados 37 metros (121 pies) en la tierra. Cada pozo tiene 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro y contiene un intercambiador de calor simple hecho de tubería de plástico de pequeño diámetro, a través del cual circula el agua. No hay bombas de calor involucradas. [5] [18]
- CTES (almacenamiento de energía térmica en caverna o mina). Los depósitos de STES son posibles en minas inundadas, cámaras construidas especialmente o depósitos de petróleo subterráneos abandonados (por ejemplo, los extraídos en roca dura cristalina en Noruega), si están lo suficientemente cerca de una fuente de calor (o frío) y un mercado. [19]
- Pilotes de energía . Durante la construcción de grandes edificios, los intercambiadores de calor BHE, muy similares a los que se utilizan para los almacenes BTES, se han colocado en espiral dentro de las jaulas de las barras de refuerzo para pilotes, y luego se ha vertido el hormigón en su lugar. Los pilotes y los estratos circundantes se convierten en el medio de almacenamiento.
- GIITS (almacenamiento térmico aislado geoespacial ). Durante la construcción de cualquier edificio con un piso de losa primaria, un área de aproximadamente la huella del edificio que se va a calentar, y> 1 m de profundidad, se aísla en los 6 lados típicamente con aislamiento de celda cerrada de HDPE . Las tuberías se utilizan para transferir energía solar al área aislada, así como para extraer calor según se requiera bajo demanda. Si hay un flujo de agua subterránea interno significativo, se necesitan acciones correctivas para prevenirlo.
Tecnologías superficiales y aéreas
- Depósito de foso . En muchos sistemas de calefacción de distrito daneses se utilizan pozos excavados poco profundos y revestidos con grava y agua como medio de almacenamiento. Los pozos de almacenamiento se cubren con una capa de aislamiento y luego con tierra, y se utilizan para la agricultura u otros fines. Un sistema en Marstal, Dinamarca, incluye un pozo de almacenamiento alimentado con calor de un campo de paneles solares térmicos. Inicialmente proporciona el 20% del calor durante todo el año para la aldea y se está ampliando para proporcionar el doble. [20] En 2015 se puso en marcha la tienda de foso más grande del mundo (200.000 m 3 (7.000.000 pies cúbicos)) y permite que el calor solar proporcione el 50% de la energía anual para el sistema de calefacción de distrito con energía solar más grande del mundo. . [6] [21] [22] [23] [24] En estos sistemas daneses, se podría lograr un gasto de capital por unidad de capacidad entre 0,4 y 0,6 € / kWh. [25]
- Almacenamiento térmico a gran escala con agua . Los tanques de almacenamiento de agua STES a gran escala pueden construirse sobre el suelo, aislarse y luego cubrirse con tierra. [26]
- Intercambiadores de calor horizontales . Para instalaciones pequeñas, un intercambiador de calor de tubería de plástico corrugado se puede enterrar a poca profundidad en una zanja para crear un STES. [27]
- Edificios con bermas de tierra . Almacena el calor de forma pasiva en el suelo circundante.
- Tecnología de hidrato de sal . Esta tecnología logra densidades de almacenamiento significativamente más altas que el almacenamiento de calor a base de agua. Ver Almacenamiento de energía térmica: tecnología de hidrato de sal
Conferencias y organizaciones
El Programa de Conservación de Energía a través del Almacenamiento de Energía (ECES) de la Agencia Internacional de Energía [28] [29] ha celebrado conferencias trienales mundiales sobre energía desde 1981. Las conferencias originalmente se centraron exclusivamente en STES, pero ahora que esas tecnologías están maduras, otros temas como los materiales de cambio de fase (PCM) y el almacenamiento de energía eléctrica también se cubren. Desde 1985, cada conferencia ha tenido "stock" (para almacenamiento) al final de su nombre; por ejemplo, EcoStock, ThermaStock. [30] Se llevan a cabo en varios lugares del mundo. Los más recientes fueron InnoStock 2012 (la XII Conferencia Internacional sobre Almacenamiento de Energía Térmica) en Lleida, España [31] y GreenStock 2015 en Beijing. [32] EnerStock 2018 se celebrará en Adana, Turquía, en abril de 2018. [33]
El programa IEA-ECES continúa el trabajo del anterior Consejo Internacional para el Almacenamiento de Energía Térmica que de 1978 a 1990 tenía un boletín trimestral y fue patrocinado inicialmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El boletín inicialmente se llamó ATES Newsletter, y después de que BTES se convirtió en una tecnología viable, se cambió a STES Newsletter. [34] [35]
Uso de STES para edificios pequeños con calefacción pasiva
Los edificios pequeños con calefacción pasiva suelen utilizar el suelo adyacente al edificio como un acumulador de calor estacional de baja temperatura que, en el ciclo anual, alcanza una temperatura máxima similar a la temperatura media anual del aire, con la temperatura baja para la calefacción en los meses más fríos. Estos sistemas son una característica del diseño de edificios, ya que son necesarias algunas diferencias simples pero significativas con los edificios "tradicionales". A una profundidad de aproximadamente 20 pies (6 m) en el suelo, la temperatura es naturalmente estable dentro de un rango durante todo el año, [36] si la reducción no excede la capacidad natural para la restauración solar de calor. Dichos sistemas de almacenamiento operan dentro de un rango estrecho de temperaturas de almacenamiento durante el transcurso de un año, a diferencia de los otros sistemas STES descritos anteriormente para los que se prevén grandes diferencias de temperatura anuales.
En los Estados Unidos se desarrollaron dos tecnologías básicas de construcción solar pasiva durante las décadas de 1970 y 1980. Utilizan la conducción de calor directa desde y hacia el suelo térmicamente aislado y protegido contra la humedad como método de almacenamiento estacional para la calefacción de espacios, con la conducción directa como mecanismo de retorno de calor. En un método, "almacenamiento de calor pasivo anual" (PAHS), [37] las ventanas del edificio y otras superficies exteriores capturan el calor solar que se transfiere por conducción a través de los pisos, paredes y, a veces, el techo, al suelo contiguo con amortiguación térmica. Cuando los espacios interiores son más fríos que el medio de almacenamiento, el calor se devuelve al espacio habitable. [38] [39]
El otro método, " energía solar geotérmica anualizada " (AGS) utiliza un colector solar separado para capturar el calor. El calor recolectado se entrega a un dispositivo de almacenamiento (suelo, lecho de grava o tanque de agua) ya sea pasivamente por convección del medio de transferencia de calor (por ejemplo, aire o agua) o activamente bombeándolo. Este método generalmente se implementa con una capacidad diseñada para seis meses de calefacción.
Algunos ejemplos del uso de almacenamiento térmico solar en todo el mundo incluyen: Suffolk One, una universidad en East Anglia, Inglaterra, que utiliza un colector térmico de tubería enterrada en el área de giro del autobús para recolectar energía solar que luego se almacena en 18 perforaciones cada 100 metros (330 pies) de profundidad para uso en calefacción en invierno. Drake Landing Solar Community en Canadá utiliza colectores solares térmicos en los techos de los garajes de 52 casas, que luego se almacenan en una serie de perforaciones de 35 metros (115 pies) de profundidad. El suelo puede alcanzar temperaturas superiores a los 70 ° C que luego se utiliza para calentar las casas de forma pasiva. El plan se ha estado ejecutando con éxito desde 2007. En Brædstrup , Dinamarca, se utilizan unos 8.000 metros cuadrados (86.000 pies cuadrados) de colectores solares térmicos para recolectar unos 4.000.000 kWh / año almacenados de manera similar en una serie de perforaciones de 50 metros (160 pies) de profundidad. .
Ingeniería líquida
El arquitecto Matyas Gutai [40] obtuvo una subvención de la UE para construir una casa en Hungría [41] que utiliza grandes paneles de pared llenos de agua como colectores de calor y depósitos con tanques de agua de almacenamiento de calor subterráneos. El diseño utiliza control por microprocesador.
Pequeños edificios con tanques de agua STES internos
Varias casas y pequeños edificios de apartamentos han demostrado combinar un gran tanque de agua interno para el almacenamiento de calor con colectores solares térmicos montados en el techo. Las temperaturas de almacenamiento de 90 ° C (194 ° F) son suficientes para suministrar tanto agua caliente sanitaria como calefacción. La primera casa de este tipo fue MIT Solar House # 1, en 1939. En 1989 se construyó un edificio de apartamentos de ocho unidades en Oberburg , Suiza , con tres tanques que almacenan un total de 118 m 3 (4,167 pies cúbicos) que almacenan más calor que el la construcción requiere. Desde 2011, ese diseño ahora se está reproduciendo en nuevos edificios. [42]
En Berlín , la "Casa de energía de calefacción cero", se construyó en 1997 como parte del proyecto de demostración de viviendas de bajo consumo energético de la Tarea 13 de la IEA . Almacena agua a temperaturas de hasta 90 ° C (194 ° F) dentro de un tanque de 20 m 3 (706 pies cúbicos) en el sótano . [43]
Un ejemplo similar se construyó en Irlanda en 2009, como prototipo. El acumulador solar estacional [44] consiste en un tanque de 23 m 3 (812 pies cúbicos), lleno de agua, [45] que fue instalado en el suelo, fuertemente aislado alrededor, para almacenar el calor de los tubos solares evacuados durante el año. El sistema se instaló como un experimento para calentar la primera casa pasiva prefabricada estandarizada del mundo [46] en Galway, Irlanda . El objetivo era averiguar si este calor sería suficiente para eliminar la necesidad de electricidad en la casa, que ya es altamente eficiente, durante los meses de invierno.
Gracias a las mejoras en el acristalamiento, los edificios con calefacción cero ahora son posibles sin almacenamiento de energía estacional.
Uso de STES en invernaderos
STES también se utiliza ampliamente para la calefacción de invernaderos. [47] [48] [49] ATES es el tipo de almacenamiento que se usa comúnmente para esta aplicación. En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea, bombeada del "pozo frío" del acuífero. El agua se calienta en el proceso y se devuelve al "pozo caliente" en el acuífero. Cuando el invernadero necesita calor, como para extender la temporada de crecimiento, el agua se extrae del pozo caliente, se enfría mientras cumple su función de calentamiento y se devuelve al pozo frío. Este es un sistema de enfriamiento gratuito muy eficiente , que utiliza solo bombas de circulación y no bombas de calor.
Ver también
- Calefacción solar central
- Calefacción urbana
- Geosolar
- Casa de hielo (edificio)
- Estanque de hielo
- Lista de proyectos de almacenamiento de energía
- Estanque solar
- Colector solar térmico
- Almacenamiento de energía térmica
- Edificio de energía cero
- Edificio con calefacción cero
Referencias
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enlaces externos
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- Octubre de 1998, informe de Fujita Research
- Earth Notes: Almacén térmico de tanque de leche con bomba de calor
- Heliostatos utilizados para concentrar energía solar (fotos)
- Edificio ecológico Wofati con inercia térmica anualizada