La energía almacenada en materiales termoquímicos puede calentar eficazmente espacios interiores, especialmente en regiones húmedas, según investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU.
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 al sistema de calefacción de un edificio. Esta flexibilidad podría permitir reducir los requisitos eléctricos para el sistema 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 se requiere calor adicional de la bomba de calor en otros momentos del día para deshidratar o cargar el TCM. Esto significa que el reactor necesita interactuar con el vapor de agua. Este vapor de agua podría provenir directamente del aire ambiente, en cuyo caso el TCM es un sistema abierto. O el TCM podría estar en una cámara aislada, evacuada de aire, lo que se conoce como sistema cerrado. En este caso, el vapor de agua proviene de la evaporación de agua líquida de una segunda cámara.
Los sistemas abiertos son más simples pero presentan un desafío durante el invierno. El vapor de agua suele ser escaso y el uso del aire interior para impulsar la reacción de hidratación puede reducir la humedad del edificio a un nivel incómodo, mientras que el aire frío exterior contiene 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 dentro del Grupo de Investigación de Equipos de Construcción Avanzado del NREL y coautor del nuevo artículo sobre este tema. «Es importante pensar de dónde proviene la humedad, porque el rendimiento puede verse significativamente afectado según cómo se integra».
El artículo, «Almacenamiento de energía termoquímica de ciclo abierto para calefacción de espacios en edificios: configuraciones prácticas de sistemas y densidad de energía efectiva», aparece en la edición de diciembre de la revista. Energía 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 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 una cantidad considerable de energía para calentarse y enfriarse, por lo que el almacenamiento de energía térmica ofrece una oportunidad para cambiar y dar forma a la carga eléctrica. Esto 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 examinaron el rendimiento térmico de un reactor TCM alimentado por cloruro de estroncio, que emite calor al reaccionar con el vapor de agua del aire. Consideraron una variedad de climas y tipos de edificios, examinaron varias configuraciones y prestaron especial atención a la fuente del vapor de agua. La investigación utilizó modelos informáticos que luego fueron verificados mediante datos experimentales.
La configuración con mejores resultados permitió al reactor TCM calentar el aire que sale del edificio, que está a 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 el reactor deshumidifique el aire interior y proporciona un nivel de humedad suficiente. Además de compensar la energía requerida para calentar el aire de ventilación necesario, el aire se puede calentar por encima de la temperatura interior, reduciendo la energía requerida por una caldera o bomba de calor para mantener la temperatura interior.
Sin embargo, esta configuración solo funciona para edificios que tienen la salida de aire ubicada cerca de la ventilación entrante. Woods dijo que el reactor 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 que la temperatura interior era de 21 grados Celsius (69,8 grados Fahrenheit). La humedad relativa resultó ser el factor clave que afectaba el rendimiento del reactor. Calcularon qué tan bien funcionaría el reactor en cuatro climas: Atlanta, Nueva York, Minneapolis y Seattle. Entre esas ciudades, el reactor tendría el peor rendimiento en Minneapolis debido al clima más frío y seco del invierno.
«Hay poca humedad en el aire frío, por lo que la humedad en el interior es menor y es más difícil impulsar la reacción de la MTC», 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, la investigación también examinó qué tan bien funcionaría la tecnología en el vestíbulo de un hotel pequeño, un edificio de oficinas de tamaño mediano y las habitaciones de pacientes 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 seguirán avanzando en esta tecnología. El bajo LCOS indica que la tecnología tiene un camino factible hacia la comercialización, pero se necesita trabajo adicional para cuantificar los costos de fabricación, integración, embalaje e instalación del reactor. Para hacer de esta una tecnología rentable será necesario abordar cada uno de estos costos. 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, pero presentan un conjunto separado de desafíos que esperan resolver con más investigaciones.
