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Almacenamiento estacional de energía térmica

El almacenamiento de energía térmica estacional ( STES ), también conocido como almacenamiento de energía térmica interestacional , [ 1 ] consiste en almacenar calor o frío dura...

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El almacenamiento de energía térmica estacional ( STES ), también conocido como almacenamiento de energía térmica interestacional , [ 1 ] consiste en almacenar calor o frío durante periodos de hasta varios meses. La energía térmica se puede recolectar cuando esté disponible y utilizarse cuando sea necesario, por ejemplo, en la estación opuesta. Por ejemplo, el calor de los colectores solares o el calor residual de los equipos de aire acondicionado se pueden recolectar en los meses cálidos para la calefacción de espacios 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 invernal se puede almacenar para el aire acondicionado en verano. [ 3 ] [ 4 ]

Los sistemas de almacenamiento térmico estacional (STES) pueden abastecer sistemas de calefacción urbana, así como edificios o complejos individuales. En el caso de los sistemas de almacenamiento estacional utilizados para calefacción, las temperaturas máximas anuales de diseño suelen oscilar entre 27 y 80 °C (81 y 180 °F) , y la diferencia de temperatura que se produce en el almacenamiento a lo largo del año puede ser de varias decenas de grados. Algunos sistemas utilizan una bomba de calor para cargar y descargar el almacenamiento durante parte o la totalidad del ciclo. Para aplicaciones de refrigeración, a menudo solo se utilizan bombas de circulación.  

Entre los ejemplos de calefacción urbana se incluyen la comunidad solar de Drake Landing, donde el almacenamiento en tierra proporciona el 97 % del consumo anual sin bombas de calor , [ 5 ] y el almacenamiento en estanques daneses con refuerzo. [ 6 ]

Tecnologías STES

Existen varios tipos de tecnología STES, que abarcan una amplia gama de aplicaciones, desde pequeños edificios individuales hasta redes de calefacción urbana. En general, la eficiencia aumenta y el coste de construcción específico disminuye con el tamaño.

Almacenamiento subterráneo de energía térmica

El almacenamiento subterráneo de energía térmica ( UTES , por sus siglas en inglés) utiliza como medio de almacenamiento estratos geológicos que van desde tierra o arena hasta roca sólida o acuíferos. Las tecnologías UTES incluyen:

  • ATES ( almacenamiento de energía térmica en acuíferos ). Un sistema ATES se compone de un doblete, que consta de dos o más pozos en un acuífero profundo contenido entre capas geológicas impermeables por encima y por debajo. Una mitad del doblete se utiliza para la extracción de agua y la otra para la reinyección, de modo 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 sistemas ATES, en dos acuíferos a diferentes profundidades. [ 7 ] En los Países Bajos existen más de 1000 sistemas ATES, que ahora son una opción de construcción estándar. [ 8 ] [ 9 ] Un sistema importante ha estado funcionando en el Richard Stockton College (Nueva Jersey) durante varios años. [ 3 ] ATES tiene un menor coste de instalación que el almacenamiento de energía térmica en pozos (BTES) porque normalmente se perforan menos pozos, pero ATES tiene un mayor coste operativo . Además, para que ATES sea viable, se requieren condiciones subterráneas específicas, incluida la presencia de un acuífero.
  • BTES (almacenamiento de energía térmica en pozos). Los sistemas BTES se pueden construir donde sea posible perforar pozos y se componen de entre uno y cientos de pozos verticales, generalmente de 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro. Se han construido sistemas de todos los tamaños, incluyendo muchos bastante grandes. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Los estratos pueden ser desde arena hasta roca dura cristalina, y dependiendo de 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) . Se pueden utilizar modelos térmicos para predecir la variación estacional de la temperatura en el suelo, incluyendo el establecimiento de un régimen de temperatura estable que se logra igualando 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 y elevar activamente la temperatura de grandes bancos térmicos de suelo para que el calor pueda extraerse más fácilmente (y más barato) en invierno. La transferencia de calor intertemporal [ 13 ] utiliza agua que circula por tuberías incrustadas en colectores solares de asfalto para transferir calor a los bancos térmicos [ 14 ] creados en campos de pozos. En invierno se utiliza una bomba de calor geotérmica para extraer el calor del banco térmico y proporcionar calefacción de espacios mediante calefacción por suelo radiante . Se obtiene un alto coeficiente de rendimiento porque la bomba de calor comienza con una temperatura cálida de 25 °C (77 °F) proveniente del depósito térmico, en lugar de una temperatura fría de 10 °C (50 °F) proveniente del suelo. [ 15 ] Un sistema BTES que opera en Richard Stockton College desde 1995 con una temperatura máxima de aproximadamente 29 °C (84,2 °F) consta de 400 pozos de 130 metros (427 pies) de profundidad bajo un estacionamiento de 1,4 hectáreas (3,5 acres) . Tiene una pérdida de calor del 2 % durante seis meses. [ 16 ] El límite superior de temperatura para un sistema BTES es de 85 °C (185 °F) debido a las características de la tubería PEX utilizada para los intercambiadores de calor de lecho fijo (BHE).              , pero la mayoría no se acerca a ese límite. Los pozos pueden llenarse con lechada o agua según las condiciones geológicas, y generalmente tienen una vida útil superior a los 100 años. Tanto un BTES como su sistema de calefacción urbana asociado pueden ampliarse gradualmente después de que comience la operación, como en Neckarsulm, Alemania. [ 17 ] Los almacenes BTES generalmente no perjudican el uso del terreno y pueden ubicarse debajo de edificios, campos agrícolas y estacionamientos. Un ejemplo de uno de los varios tipos de STES ilustra bien la capacidad del almacenamiento de calor intertemporal. En Alberta, Canadá, las casas de la Comunidad Solar Drake Landing (en funcionamiento desde 2007) obtienen el 97% de su calefacción anual de un sistema de calefacción urbana que se alimenta del calor solar de paneles solares térmicos en los techos de los garajes. Esta hazaña, un récord mundial, es posible gracias al almacenamiento de calor intertemporal en una gran masa de roca nativa que se encuentra debajo de un parque central. El intercambio térmico se produce mediante un conjunto de 144 pozos perforados a 37 metros (121 pies) de profundidad. Cada pozo tiene un diámetro de 155 mm (6,1 pulgadas) y contiene un intercambiador de calor simple , fabricado con tuberías de plástico de pequeño diámetro, por donde circula el agua. No se utilizan bombas de calor. [ 5 ] [ 18 ]   
  • CTES (almacenamiento de energía térmica en cavernas o minas). Los sistemas STES son posibles en minas inundadas, cámaras construidas específicamente para este fin o depósitos subterráneos de petróleo abandonados (por ejemplo, los extraídos de roca dura cristalina en Noruega), siempre que estén lo suficientemente cerca de una fuente de calor (o frío) y un mercado. [ 19 ]
  • Pilotes energéticos . Durante la construcción de grandes edificios, los intercambiadores de calor BHE, similares a los utilizados para almacenar energía térmica en edificios (BTES), se han instalado en espiral dentro de las jaulas de barras de refuerzo de los pilotes, y posteriormente se ha vertido hormigón en su lugar. Los pilotes y los estratos circundantes se convierten entonces en el medio de almacenamiento.
  • GIITS (almacenamiento térmico geotérmico intertemporal aislado). Durante la construcción de cualquier edificio con losa de cimentación primaria, se aísla en sus seis lados un área equivalente a la superficie del edificio a calentar, con una profundidad superior a 1 metro, generalmente con aislamiento de HDPE de celda cerrada. Se utilizan tuberías para transferir la energía solar al área aislada, así como para extraer el calor según se requiera. Si existe un flujo significativo de agua subterránea interna, se deben tomar medidas correctivas para prevenirlo.

Tecnologías de superficie y sobre el suelo

  • Almacenamiento en fosas . Fosas poco profundas y revestidas que se llenan con grava y agua como medio de almacenamiento se utilizan para STES en muchos sistemas de calefacción de distrito daneses. Las fosas de almacenamiento suelen estar cubiertas con una tapa flotante aislada para retener el calor y evitar la intrusión de agua de lluvia, después de lo cual a veces pueden integrarse en el paisaje circundante. [ 20 ] Un sistema en Marstal, Dinamarca, incluye un almacenamiento en fosas alimentado con calor de un campo de paneles solares térmicos. Inicialmente proporciona el 20% del calor durante todo el año para el pueblo y se está ampliando para proporcionar el doble. [ 21 ] El almacenamiento en fosas más grande del mundo ( 200 000 m³ (7 000 000 pies cúbicos ) ) se puso en marcha en Vojens, Dinamarca, en 2015, y permite que el calor solar proporcione el 50% de la energía anual para el sistema de calefacción de distrito habilitado por energía solar más grande del mundo . [ 6 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] En estos sistemas daneses, se podría lograr un gasto de capital por unidad de capacidad de entre 0,4 y 0,6 €/kWh. [ 26 ]   
  • Almacenamiento térmico a gran escala con agua . Los tanques de almacenamiento de agua STES a gran escala se pueden construir sobre el suelo, aislar y luego cubrir con tierra. [ 27 ]
  • Intercambiadores de calor horizontales . Para instalaciones pequeñas, se puede enterrar un intercambiador de calor de tubería de plástico corrugado en una zanja poco profunda para crear un STES. [ 28 ]
  • Edificios con terraplenes de tierra . Almacenan calor de forma pasiva en el suelo circundante.
  • Tecnología de hidratos de sal . Esta tecnología logra densidades de almacenamiento significativamente mayores que el almacenamiento de calor basado en agua. Véase Almacenamiento de energía térmica: Tecnología de hidratos de sal.

Conferencias y organizaciones

El Programa de Conservación de Energía mediante Almacenamiento de Energía (ECES) de la Agencia Internacional de Energía [ 29 ] [ 30 ] ha celebrado conferencias mundiales de energía trienales desde 1981. Las conferencias se centraron originalmente de forma exclusiva en STES, pero ahora que esas tecnologías están maduras, también se están abordando otros temas como los materiales de cambio de fase (PCM) y el almacenamiento de energía eléctrica . Desde 1985, cada conferencia ha incluido "stock" (de almacenamiento) al final de su nombre; por ejemplo, EcoStock, ThermaStock. [ 31 ] Se celebran en diversas ubicaciones alrededor del mundo. Las más recientes fueron InnoStock 2012 (la 12.ª Conferencia Internacional sobre Almacenamiento de Energía Térmica) en Lleida, España [ 32 ] y GreenStock 2015 en Pekín. [ 33 ] EnerStock 2018 se celebró en abril de 2018 en Adana, Turquía, con más de 220 participantes de 24 países. [ 34 ] [ 35 ]

El programa IEA-ECES da continuidad al trabajo del anterior Consejo Internacional para el Almacenamiento de Energía Térmica, que entre 1978 y 1990 publicó un boletín trimestral patrocinado inicialmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . El boletín se denominó inicialmente Boletín ATES, y tras la consolidación de la tecnología BTES como viable, pasó a llamarse Boletín STES. [ 36 ] [ 37 ]

Uso de STES para edificios pequeños con calefacción pasiva

Los edificios pequeños con calefacción pasiva suelen utilizar el suelo adyacente como un depósito de calor estacional de baja temperatura que, en el ciclo anual, alcanza una temperatura máxima similar a la temperatura media anual del aire, reduciéndose para la calefacción en los meses más fríos. Estos sistemas son una característica del diseño de edificios, ya que requieren algunas diferencias simples pero significativas con respecto a los edificios «tradicionales». A una profundidad de unos 6 metros (20 pies) en el suelo, la temperatura se mantiene estable de forma natural dentro de un rango anual, [ 38 ] siempre que la reducción no supere la capacidad natural de recuperación solar del calor. Estos sistemas de almacenamiento operan dentro de un rango estrecho de temperaturas de almacenamiento a lo largo del año, a diferencia de los otros sistemas STES descritos anteriormente, para los que se buscan grandes diferencias de temperatura anuales. 

En Estados Unidos se desarrollaron dos tecnologías básicas de construcción solar pasiva durante las décadas de 1970 y 1980. Estas tecnologías utilizan la conducción directa de calor hacia y desde un suelo aislado térmicamente y protegido de 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, denominado "almacenamiento térmico anual pasivo" (PAHS), [ 39 ] las ventanas y otras superficies exteriores del edificio capturan el calor solar, que se transfiere por conducción a través de los suelos, las paredes y, en ocasiones, el tejado, al suelo adyacente con amortiguación térmica. Cuando los espacios interiores están más fríos que el medio de almacenamiento, el calor se conduce de vuelta al espacio habitable. [ 40 ] [ 41 ]

El otro método, denominado «energía geotérmica solar anualizada» (EGA), utiliza un colector solar independiente para capturar el calor. El calor captado se almacena en un depósito (suelo, lecho de grava o tanque de agua) de forma pasiva, mediante la convección del fluido caloportador (por ejemplo, aire o agua), o de forma activa, mediante bombeo. Este método suele implementarse con una capacidad suficiente para seis meses de calefacción.

Algunos ejemplos del uso de almacenamiento solar térmico en todo el mundo incluyen: Suffolk One, una universidad en East Anglia, Inglaterra, que utiliza un colector térmico de tuberías enterradas en el área de giro de autobuses para recolectar energía solar que luego se almacena en 18 pozos de 100 metros (330 pies) de profundidad cada uno para su uso en calefacción invernal. 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 pozos de 35 metros (115 pies) de profundidad. El suelo puede alcanzar temperaturas superiores a 70 °C, que luego se utilizan para calentar las casas de forma pasiva. El proyecto ha estado funcionando con éxito desde 2007. En Brædstrup , Dinamarca, se utilizan unos 8000 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 pozos de 50 metros (160 pies) de profundidad.      

Ingeniería de líquidos

El arquitecto Matyas Gutai [ 42 ] obtuvo una subvención de la UE para construir una casa en Hungría [ 43 ] que utiliza extensos paneles de pared llenos de agua como colectores de calor y depósitos con tanques subterráneos de almacenamiento de agua térmica. El diseño utiliza control por microprocesador.

Edificios pequeños con depósitos de agua STES internos.

Varias casas y pequeños edificios de apartamentos han demostrado la combinación de un gran tanque interno de agua para el almacenamiento de calor con colectores solares térmicos instalados en el techo. Las temperaturas de almacenamiento de 90 °C (194 °F) son suficientes para suministrar agua caliente sanitaria y calefacción. La primera casa de este tipo fue la Casa Solar n.° 1 del MIT, en 1939. Un edificio de apartamentos de ocho unidades en Oberburg , Suiza , se construyó en 1989, con tres tanques que almacenan un total de 118 m³ (4167 pies cúbicos) que almacenan más calor del que el edificio necesita. Desde 2011, este diseño se está replicando en nuevos edificios. [ 44 ]   

En Berlín , la “Casa de Energía Cero para Calefacción” se construyó en 1997 como parte del proyecto de demostración de viviendas de bajo consumo energético IEA Task 13. Almacena agua a temperaturas de hasta 90 °C (194 °F) dentro de un tanque de 20 m³ (706 pies cúbicos) en el sótano . [ 45 ]   

Un ejemplo similar se construyó en Irlanda en 2009, a modo de prototipo. El almacén solar estacional [ 46 ] consta de un tanque de 23 m³ (812 pies cúbicos ) , lleno de agua, [ 47 ] que se instaló bajo tierra, con un aislamiento térmico completo, para almacenar el calor de los tubos solares de vacío durante el año. El sistema se instaló como experimento para calentar la primera casa pasiva prefabricada estandarizada del mundo [ 48 ] en Galway, Irlanda . El objetivo era determinar si este calor sería suficiente para eliminar la necesidad de electricidad en la vivienda, que ya era altamente eficiente, durante los meses de invierno.   

Gracias a las mejoras en los acristalamientos, ahora es posible construir edificios sin calefacción y sin necesidad de almacenamiento de energía estacional.

Uso de STES en invernaderos

El STES también se utiliza ampliamente para la calefacción de invernaderos. [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] El ATES es el tipo de almacenamiento comúnmente utilizado para esta aplicación. En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea, bombeada desde el “pozo frío” en el acuífero. El agua se calienta en el proceso y se devuelve al “pozo caliente” en el acuífero. Cuando el invernadero necesita calor, por ejemplo, para extender la temporada de cultivo, se extrae agua del pozo caliente, se enfría mientras cumple su función de calefacción y se devuelve al pozo frío. Este es un sistema de refrigeración gratuita muy eficiente , que utiliza solo bombas de circulación y no bombas de calor.

Energía geosolar anualizada

La energía geotérmica anualizada (AGS) permite la calefacción solar pasiva incluso en zonas templadas frías y con niebla del norte. Utiliza el suelo bajo o alrededor de un edificio como masa térmica para calentarlo y enfriarlo. Tras un periodo de inercia térmica conductiva de seis meses, el calor se devuelve o se extrae de los espacios habitables del edificio. En climas cálidos, exponer el colector al cielo nocturno gélido durante el invierno puede enfriar el edificio en verano.

 El desfase térmico de seis meses se consigue con unos tres metros (diez pies) de tierra. Una capa aislante enterrada de seis metros (20 pies) de ancho alrededor del edificio impide que la lluvia y la nieve derretida penetren en la tierra, que suele estar debajo. La tierra proporciona calefacción y refrigeración radiante a través del suelo o las paredes. Un sifón térmico transfiere el calor entre la tierra y el colector solar. El colector solar puede ser un compartimento de chapa metálica en el tejado o una caja ancha y plana en la ladera de un edificio o una colina. Los sifones pueden estar hechos de tubería de plástico y transportar aire. El uso de aire evita fugas de agua y la corrosión causada por la humedad. La tubería de plástico no se corroe en tierra húmeda, a diferencia de los conductos metálicos.

Los sistemas de calefacción AGS suelen constar de:

  • Un espacio habitable muy bien aislado, energéticamente eficiente y respetuoso con el medio ambiente;
  • Calor capturado durante los meses de verano procedente de un espacio bajo el techo o en el ático calentado por el sol, un invernadero o espacio solar, un colector de termosifón de placa plana instalado en el suelo u otro dispositivo de captación de calor solar;
  • El calor se transporta desde la fuente de captación hacia (normalmente) la masa de tierra situada bajo el espacio habitable (para su almacenamiento), y esta masa está rodeada por un perímetro subterráneo en forma de "capa" o "paraguas" que proporciona tanto aislamiento contra la fácil pérdida de calor hacia el aire exterior como una barrera contra la migración de humedad a través de esa masa de almacenamiento de calor;
  • Un suelo de alta densidad cuyas propiedades térmicas están diseñadas para irradiar calor de vuelta al espacio habitable, pero solo después del tiempo de retardo adecuado regulado por el aislamiento del subsuelo;
  • Un sistema o esquema de control que activa ventiladores y compuertas (a menudo alimentados por energía fotovoltaica) cuando se detecta que el aire de la temporada cálida está más caliente en la(s) zona(s) de captación que en la masa de almacenamiento, o permite que el calor se transfiera a la zona de almacenamiento por convección pasiva (a menudo utilizando una chimenea solar y compuertas activadas térmicamente ).

Por lo general, se requieren varios años para que la masa de tierra almacenada se precaliente completamente desde la temperatura local del suelo a profundidad (que varía considerablemente según la región y la orientación del sitio) hasta un nivel óptimo de otoño que le permita cubrir hasta el 100 % de las necesidades de calefacción del espacio habitable durante el invierno. Esta tecnología continúa evolucionando, y se están explorando diversas variantes (incluidos dispositivos de retorno activo). La lista de correo donde más se debate esta innovación es " Arquitectura Orgánica " en Yahoo.

Este sistema se utiliza casi exclusivamente en el norte de Europa. Se ha construido un sistema en Drake Landing, en Norteamérica. Un ejemplo más reciente es una vivienda autosuficiente energéticamente, actualmente en construcción en Collinsville, Illinois, que dependerá exclusivamente de energía solar anualizada para la climatización.

Véase también

Referencias

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  51. ↑ Véase la diapositiva 15 de Snijders (2008), arriba.
  • Informes de investigación del Departamento de Energía (DOE EERE)
  • Diciembre de 2005, Instalación de un acumulador térmico estacional en un ENERGETIKhaus100
  • Octubre de 1998, informe de Fujita Research
  • Notas sobre la Tierra: Almacén térmico para camión cisterna de leche con bomba de calor
  • Heliostatos utilizados para concentrar la energía solar (fotos)
  • Edificio Wofati Eco con inercia térmica anualizada