Según investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU., la energía almacenada en materiales termoquímicos puede calentar eficazmente espacios interiores, especialmente en áreas húmedas.
Trabajando con representantes de la industria e investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los científicos determinaron una configuración realista para integrar materiales termoquímicos (TCM) en el sistema HVAC de un edificio. Los TCM de hidrato de sal se consideran candidatos prometedores para proporcionar flexibilidad de carga en sistemas de calefacción de edificios. Esta flexibilidad puede permitir reducir los requisitos de energía para los sistemas de calefacción o cambiar la carga a momentos en que la electricidad sea menos costosa y/o más limpia.
El TCM se descarga y carga mediante reacciones de hidratación y deshidratación, respectivamente. La hidratación de la sal libera calor, que se utiliza para calentar el edificio, y en otros momentos del día se necesita calor adicional de la bomba de calor para deshidratar o cargar el TCM. Esto significa que el reactor necesita interactuar con el vapor de agua. Este vapor de agua puede provenir directamente del aire ambiente, en cuyo caso el TCM es un sistema abierto. O el TCM puede estar en una cámara aislada, sin aire, conocida como sistema cerrado. En este caso, el vapor de agua proviene de la evaporación de agua líquida de otra cámara.
Los sistemas abiertos son convenientes pero presentan un desafío durante el invierno. El vapor de agua es generalmente bajo y el uso del aire interior para impulsar reacciones de hidratación puede reducir la humedad del edificio a niveles incómodos cuando el aire frío exterior tiene una humedad limitada.
“La forma en que integramos el reactor en el edificio, podemos hacerlo sin secar la casa”, dijo Jason Woods, ingeniero de investigación senior en el Grupo de Investigación de Equipos de Construcción Avanzado del NREL y autor de un nuevo artículo sobre el tema. dicho “Es importante pensar de dónde viene la humedad, porque el rendimiento puede verse afectado significativamente dependiendo de dónde se integre”.
El artículo, “Sistemas de calefacción espacial para almacenamiento de energía termoquímica de ciclo abierto: configuraciones prácticas de sistemas y densidad de energía efectiva”, aparece en la edición de diciembre de la revista. Energía Aplicada. Los colegas de Woods son Yi Zeng y Adewale Odukomaiya, ambos del NREL. Otros coautores son de Lawrence Berkeley y NETenergy LLC, una empresa de Chicago.
La investigación, que fue financiada por la Oficina de Tecnologías de Construcción del Departamento de Energía, surgió de las prioridades de financiación establecidas por la oficina en 2019 con respecto al almacenamiento de energía térmica. Los edificios requieren mucha energía para calentarse y enfriarse, por lo que el almacenamiento de energía térmica brinda la oportunidad de cambiar y dar forma a la carga eléctrica. Apoya la descarbonización al alinear el funcionamiento de la bomba de calor eléctrica con los momentos en que se dispone de energía baja en carbono.
Los investigadores evaluaron la eficiencia térmica de un reactor TCM alimentado con cloruro de estroncio, que reacciona con el vapor de agua del aire para desprender calor. Consideraron el clima y los tipos de edificios, examinaron varias configuraciones y prestaron especial atención a las fuentes de vapor de agua. La investigación utilizó modelos informáticos que fueron verificados con datos experimentales.
La configuración con mejores resultados permitió al reactor TCM calentar el aire que salía del edificio, igual a la temperatura y humedad del aire interior. Una vez calentado, el aire calienta indirectamente la ventilación entrante a través de un intercambiador de calor. Esto evita que el reactor deshumidifique el aire del interior y proporciona un nivel de humedad adecuado. Además de satisfacer la energía necesaria para calentar el aire de ventilación necesario, el aire se puede calentar por encima de la temperatura interior, lo que reduce la energía necesaria para mantener la temperatura interior mediante una caldera o una bomba de calor.
Sin embargo, esta configuración solo funciona para edificios en los que la salida de aire está ubicada cerca de la ventilación entrante. El propósito del reactor no es reemplazar una bomba de calor o un horno, sino almacenar energía para su uso posterior, dijo Woods.
Al modelar el reactor TCM, los investigadores asumieron una temperatura interna de 21 grados Celsius (69,8 grados Fahrenheit). La humedad relativa resultó ser un factor clave que afecta el rendimiento del reactor. Calcularon qué tan bien funcionaría el reactor en cuatro estaciones: Atlanta, Nueva York, Minneapolis y Seattle. Entre esas ciudades, el reactor funcionaría peor en Minneapolis debido al clima frío y seco del invierno.
“El aire frío tiene una humedad mucho menor, por lo que la humedad interior es menor y las reacciones de la medicina tradicional china son más difíciles de manejar”, dijo Woods.
Con su mayor humedad, un reactor TCM en Seattle tendría una mayor eficiencia térmica, calcularon los investigadores.
Además de considerar una casa unifamiliar, el estudio también probó qué tan bien funcionaría la tecnología en el vestíbulo de un hotel pequeño, un edificio de oficinas de tamaño mediano y habitaciones de pacientes de un hospital. El costo de capital nominal para un sistema TCM disminuye a medida que aumenta el tamaño del edificio, con un costo nivelado de almacenamiento (LCOS) estimado de menos de 10 centavos por kWh.
En el futuro, los investigadores seguirán avanzando en esta tecnología. El bajo LCOS indica que la tecnología tiene un camino viable hacia la comercialización, pero se necesita trabajo adicional para justificar los costos de fabricación, integración, embalaje e instalación del reactor. Será necesario abordar el costo de cada uno de ellos para crear una tecnología rentable. Los investigadores también están explorando otras opciones para integrar TCM en sistemas HVAC, incluidos los sistemas de ciclo cerrado mencionados anteriormente. Estos sistemas no están limitados por la humedad ambiental, sino que presentan un conjunto diferente de desafíos que se espera resolver con más investigaciones.
