batería de Carnot

Una batería de Carnot es un tipo de sistema de almacenamiento de energía que almacena electricidad en forma de energía térmica . Durante el proceso de carga, la electricidad se convierte en calor y se almacena. Durante el proceso de descarga, el calor almacenado se convierte de nuevo en electricidad. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Esta tecnología también se conoce como conversión de energía eléctrica en calor y viceversa . ^{[ 3 ]}

Fritz Marguerre patentó el concepto de esta tecnología hace 100 años, ^{[ 4 ]} pero su desarrollo se ha revitalizado recientemente, dado el mayor uso de energías renovables y la necesidad de aumentar la energía total recuperada de dichas fuentes. En este contexto, Andre Thess acuñó el término "batería de Carnot" en 2018, antes del primer Taller Internacional sobre Baterías de Carnot. ^{[ 5 ]}

El término «batería de Carnot» deriva del teorema de Carnot , que describe la máxima eficiencia de conversión de energía térmica en energía mecánica . La palabra «batería» indica que el propósito de esta tecnología es almacenar electricidad. La eficiencia de descarga de las baterías de Carnot está limitada por la eficiencia de Carnot . El concepto de baterías de Carnot abarca tecnologías como el almacenamiento de energía térmica por bombeo y el almacenamiento de energía en aire líquido . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En la transición hacia sistemas energéticos con bajas emisiones de carbono, aumenta la penetración de energías renovables variables en los sistemas de energía eléctrica, incrementando así la necesidad de almacenamiento de energía . Actualmente, la mayor parte de la capacidad de almacenamiento de energía instalada recientemente proviene de baterías electroquímicas , como las de iones de litio. Este tipo de batería es adecuada para el almacenamiento a corto plazo, pero puede no ser económica para periodos más largos debido a su alta densidad energética y los costos asociados. ^{[ 8 ]} El almacenamiento de energía térmica permite almacenar energía en materiales económicos, como agua, rocas y sales. Por lo tanto, el costo de los sistemas a gran escala (por ejemplo, gigavatios-hora) puede ser menor que el de las baterías electroquímicas. ^{[ 9 ]}

El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Stuttgart han estado trabajando en el concepto de baterías de Carnot que almacenan electricidad en almacenamiento de calor a alta temperatura desde 2014. ^{[ 9 ]} En 2018, el nombre "batería de Carnot" fue utilizado en la Hannover Messe , ^{[ 10 ]} una de las ferias comerciales más grandes del mundo, por el DLR. ^{[ 9 ]}

Un sistema de baterías de Carnot se puede dividir en tres partes: conversión de energía a energía térmica (P2T), almacenamiento de energía térmica (TES) y conversión de energía térmica a energía eléctrica (T2P).

La electricidad se puede convertir en calor mediante el uso de diversas tecnologías. ^{[ 1 ]}

• Calentamiento resistivo
• Las bombas de calor son la tecnología para bombear calor desde un depósito de menor temperatura a uno de mayor temperatura. Se pueden dividir en dos grupos: el ciclo Rankine inverso y el ciclo Brayton inverso .
  • El ciclo Rankine inverso se ha utilizado ampliamente en las bombas de calor convencionales.
  • El concepto de utilizar el ciclo Brayton para cargar y descargar energía térmica fue propuesto por el Prof. Robert B. Laughlin en 2017. ^{[ 11 ]}
• Otros: En los sistemas de almacenamiento de energía de aire líquido, se utiliza el ciclo de Claude para licuar el aire. El proceso de Lamm-Honigmann utiliza ciclos termoquímicos para convertir energía en calor. ^{[ 12 ]}

Según el mecanismo de almacenamiento de calor, el almacenamiento de energía térmica se puede dividir en tres tipos: almacenamiento de calor sensible , almacenamiento de calor latente y almacenamiento termoquímico . Los materiales de almacenamiento que se han utilizado para las baterías de Carnot son:

• Agua caliente
• Sal fundida
• Rocas de lecho compactado
• Aire líquido
• Almacenamiento de energía térmica por calor latente ^{[ 13 ]}
• Materiales termoquímicos (pares de sustancias químicas), como LiBr/H₂O _y H₂O _/ NH₃ _[ ^{12 ] .}

El calor se puede convertir en energía mediante ciclos termodinámicos, como el ciclo Rankine o el ciclo Brayton. Algunas tecnologías utilizan la propiedad de los materiales semiconductores para convertir el calor en electricidad, y estas no se consideran baterías de Carnot porque no hay ciclos termodinámicos involucrados en el proceso de conversión, como los materiales termoeléctricos y el "Sol en una caja". ^{[ 14 ]} Las tecnologías típicas son:

• Motores térmicos
• turbinas de vapor
• Turbinas de gas ^{[ 15 ]}
• Máquinas de ciclo Rankine orgánicas
• El proceso Lamm-Honigmann puede convertir la energía almacenada en el almacenamiento termoquímico en electricidad. ^{[ 12 ]}

Estos elementos pueden combinarse de muchas maneras. Un análisis de las combinaciones reveló un diseño óptimo con una eficiencia del 57 % y un coste nivelado de almacenamiento (LCOS) de 0,649 € (0,73 $)/kWh. Es posible alcanzar una eficiencia de hasta el 81 %. ^{[ 16 ]}

La batería de Carnot es conocida por otros nombres como almacenamiento térmico de electricidad por bombeo (PTES) o almacenamiento de calor y electricidad por bombeo (PHES). ^{[ 17 ]} Esta tecnología relativamente nueva se ha convertido en una de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala.

Las principales ventajas de la batería de Carnot son: ^{[ 18 ]}

• Libre elección de emplazamiento;
• Baja huella ambiental;
• Esperanza de vida de 20 a 30 años;
• Capacidad de respaldo opcional de bajo costo;
• Los componentes de una central eléctrica de combustibles fósiles subutilizada pueden reutilizarse parcialmente para construir la unidad de baterías de Carnot;

El principal inconveniente de esta tecnología es: ^{[ 19 ]}

• La eficiencia limitada de ida y vuelta 𝜂 _round , que relaciona la electricidad W _dis suministrada durante la descarga con la electricidad W _char necesaria para cargar el sistema. Las baterías de Carnot generalmente buscan un rango de eficiencia del 40-70%, significativamente menor que la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo (65-85%). ^{[ 20 ]}

Las baterías de Carnot pueden utilizarse como sistema de almacenamiento de energía en la red eléctrica para almacenar el exceso de energía procedente de fuentes renovables variables y para producir electricidad cuando sea necesario.

Algunos sistemas de baterías de Carnot pueden utilizar el calor o el frío almacenados para otras aplicaciones, como la calefacción y la refrigeración urbanas para centros de datos .

Las baterías de Carnot se han propuesto como una solución para convertir las centrales eléctricas de carbón existentes en un sistema de generación libre de combustibles fósiles mediante la sustitución de la caldera de carbón. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Se pueden utilizar las instalaciones existentes en las centrales eléctricas, como los sistemas de generación de energía y los sistemas de transmisión.

Aunque el término batería de Carnot es nuevo, muchas tecnologías existentes pueden clasificarse como baterías de Carnot. ^{[ 8 ]}

• Almacenamiento de energía mediante aire líquido: Highview Power , Universidad de Birmingham
• Almacenamiento de energía de dióxido de carbono líquido: Energy Dome , con sede en Milán ^{[ 23 ]}
• Almacenamiento de energía térmica por bombeo: Malta Inc. , Universidad de Durham
• Almacenamiento de energía térmica eléctrica: Siemens Gamesa , Laboratorio Nacional de Energías Renovables.
• Bomba de calor reversible / ORC: Universidad de Lieja ^{[ 24 ]}
• Almacenamiento de energía Lamm-Honigmann: Technische Universität Berlin ^{[ 25 ]}
• Investigación sobre baterías de Carnot: Universidad Técnica Checa de Praga - UCEEB ^{[ 26 ]}

• Almacenamiento de energía
• Almacenamiento de energía en la red
• Almacenamiento de energía térmica

• Segundo Taller Internacional sobre Baterías de Carnot, Universidad de Stuttgart, 15-16 de septiembre de 2020. Archivado el 21 de octubre de 2020 en Wayback Machine.
• Taller internacional sobre baterías de Carnot, Stuttgart, Alemania, 9-10 de octubre de 2018. Archivado el 18 de mayo de 2021 en Wayback Machine.