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 regiones 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 requisitos eléctricos más bajos para el sistema de calefacción o electricidad y/o cambio de carga menos costoso durante la limpieza.
El TCM se drena y carga mediante reacciones de hidratación y deshidratación, respectivamente. La hidratación de la sal libera calor, que se utiliza para calentar el edificio, y se necesita calor adicional de la bomba de calor en otros momentos del día para deshidratar o cargar el TCM. Esto significa que el horno debe estar en contacto con 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, lo que se conoce como sistema cerrado. En este caso, el vapor de agua proviene de la evaporación de agua líquida desde una segunda cámara.
Los sistemas abiertos son simples pero presentan un desafío en invierno. El vapor de agua es generalmente escaso y el uso del aire interior para impulsar reacciones de hidratación puede reducir la humedad del edificio a un nivel incómodo cuando el aire frío del exterior tiene una humedad limitada.
“La forma en que integramos el horno en el edificio, pudimos hacerlo sin secar la habitación”, dijo Jason Woods, ingeniero de investigación senior en el Grupo de Investigación de Equipos de Construcción Avanzado del NREL y autor del nuevo artículo sobre el tema. “Es importante pensar de dónde viene la humedad, porque el rendimiento puede verse afectado significativamente según cómo se integre”.
El artículo, “Almacenamiento de energía termoquímica de ciclo abierto para calefacción de espacios: configuración práctica del sistema y densidad de energía efectiva”, aparece en la edición de diciembre de la revista. potencia aplicada. Los colaboradores de Woods son Yi Zeng y Adewale Odukomaiya, ambos de 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 la Construcción del Departamento de Energía, surgió de una prioridad de financiación establecida por la oficina en 2019 sobre almacenamiento de energía térmica. Los edificios requieren una cantidad considerable de energía para calentarse y enfriarse, por lo que el almacenamiento de energía térmica ofrece 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 probaron la eficiencia térmica de un reactor TCM alimentado con cloruro de estroncio, que emite calor al reaccionar con el vapor de agua del aire. Consideraron una variedad de climas y tipos de edificios, probaron diferentes configuraciones y prestaron especial atención a las fuentes de vapor de agua. El estudio utilizó modelos informáticos que fueron validados mediante datos experimentales.
La configuración con mejores resultados permite que la caldera TCM caliente el aire que sale del edificio, que tiene la misma temperatura y humedad que el aire interior. Una vez calentado, el aire calienta indirectamente la ventilación entrante a través de un intercambiador de calor. Esto evita que la caldera humedezca el aire interior y proporciona un nivel de humedad adecuado. Además de compensar la energía necesaria para calentar el aire de ventilación requerido, el aire se puede calentar por encima de la temperatura interior, lo que reduce la energía que necesita una caldera o una bomba de calor para mantener la temperatura interior.
Sin embargo, esta configuración solo funciona para edificios que tienen salidas de aire cerca de la ventilación entrante. Woods dijo que el horno no está destinado a reemplazar una bomba de calor o un horno, sino a almacenar energía para su uso posterior.
Al modelar el reactor TCM, los investigadores asumieron una temperatura interior de 21 °C (69,8 °F). La humedad relativa resultó ser el factor clave que afecta el rendimiento del horno. Calcularon qué tan bien funcionaría el reactor en cuatro climas: Atlanta, Nueva York, Minneapolis y Seattle. De estas ciudades, el horno funcionará peor en Minneapolis debido al clima frío y seco del invierno.
“El aire frío contiene menos humedad, por lo que la humedad interior es menor y la reacción de la medicina tradicional china es más difícil de manejar”, dijo Woods.
Con su mayor humedad, un reactor TCM en Seattle tendría un mayor rendimiento térmico, calcularon los investigadores.
Además de considerar una vivienda unifamiliar, el estudio también examinó qué tan bien funcionaría la tecnología en el vestíbulo de un hotel pequeño, un edificio de oficinas de tamaño mediano y la habitación de un paciente de un hospital. El costo de capital marginal para un sistema TCM disminuye a medida que aumenta el tamaño del edificio, y se estima que el costo nivelado de almacenamiento (LCOS) es inferior a 10 centavos por kilovatio-hora.
En el futuro, los investigadores llevarán esta tecnología más allá. El bajo LCOS indica que la tecnología tiene un camino potencial hacia la comercialización, pero se necesita trabajo adicional para cuantificar los costos de fabricación, integración, empaquetado e instalación del reactor. Será necesario abordar cada uno de estos costos para que sea 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 plantean un conjunto diferente de desafíos que esperan abordar mediante más investigaciones.