Almacenamiento de energía térmica

Un acumulador de vapor consiste en un tanque de presión de acero aislado que contiene agua caliente y vapor a presión. Como dispositivo de almacenamiento de calor, se utiliza para gestionar la producción de calor, ya sea de una fuente variable o constante, en función de la demanda variable de calor. Los acumuladores de vapor pueden ser importantes para el almacenamiento de energía en proyectos de energía solar térmica .

Los tanques de almacenamiento de calor se utilizan a nivel mundial, principalmente en regiones con redes de calefacción urbana establecidas y en zonas soleadas para el aprovechamiento de la energía solar concentrada. Estos tanques se emplean en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, desde la calefacción estacional hasta el equilibrio de las redes de energía renovable. Este es un ejemplo de un dispositivo de almacenamiento de calor sensible que presenta tanto ventajas como desventajas. ^{[ 10 ]}

El agua tiene una de las capacidades térmicas más altas , de 4,2 kJ/(kg⋅K). Los grandes depósitos, principalmente tanques de almacenamiento de agua caliente, se utilizan ampliamente en los países nórdicos para almacenar calor durante varios días, desacoplar la producción de calor y electricidad y ayudar a satisfacer las demandas máximas. Algunas ciudades utilizan estanques aislados calentados por energía solar como fuente de calor para las bombas de calefacción urbana . ^{[ 11 ]} El almacenamiento entre sesiones en cavernas se ha investigado y parece ser económico ^{[ 12 ]} y desempeña un papel importante en la calefacción en Finlandia . El productor de energía Helen Oy estima una capacidad de 11,6 GWh y una producción térmica de 120 MW para su^{Cisterna de agua de} 260.000  m³ bajo Mustikkamaa (completamente cargada o descargada en 4 días a capacidad), en funcionamiento desde 2021 para compensar los días de máxima producción/demanda; ^{[ 13 ]} mientras que la300.000  m³ cavernas de ^roca En Kruunuvuorenranta (cerca de Laajasalo ), a 50 m bajo el nivel del mar , se designó en 2018 para almacenar calor en verano procedente del agua de mar caliente y liberarlo en invierno para la calefacción urbana . ^{[ 14 ]} En 2024, se anunció que el proveedor municipal de energía de Vantaa había encargado la construcción de una instalación subterránea de almacenamiento de calor de más de 1.100.000 metros cúbicos (39.000.000 pies cúbicos ) y 90 GWh de capacidad, que se esperaba que estuviera operativa en 2028. ^{[ 15 ]}  

El calor sensible de la sal fundida también se utiliza para almacenar energía solar a alta temperatura, ^{[ 16 ]} denominada tecnología de sales fundidas o almacenamiento de energía de sales fundidas (MSES). Las sales fundidas pueden emplearse como método de almacenamiento de energía térmica para retener energía térmica. Actualmente, esta es una tecnología de uso comercial para almacenar el calor recolectado por energía solar concentrada (por ejemplo, de una torre de energía solar o un colector solar ). El calor puede convertirse posteriormente en vapor sobrecalentado para alimentar turbinas de vapor convencionales y generar electricidad en un momento posterior. Se demostró en el proyecto Solar Two de 1995 a 1999. Las estimaciones de 2006 predijeron una eficiencia anual del 99%, una referencia a la energía retenida al almacenar calor antes de convertirlo en electricidad, en comparación con la conversión directa de calor en electricidad. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Se utilizan varias mezclas eutécticas de diferentes sales (por ejemplo, nitrato de sodio , nitrato de potasio y nitrato de calcio ). Existe experiencia con este tipo de sistemas en aplicaciones no solares en las industrias química y metalúrgica como fluido de transporte de calor.

La sal se funde a 131 °C (268 °F) . Se mantiene líquida a 288 °C (550 °F) en un tanque de almacenamiento "frío" aislado. La sal líquida se bombea a través de paneles en un colector solar donde el sol concentrado la calienta a 566 °C (1051 °F) . Luego se envía a un tanque de almacenamiento caliente. Con un aislamiento adecuado del tanque, la energía térmica se puede almacenar útilmente hasta por una semana. ^{[ 20 ]} Cuando se necesita electricidad, la sal fundida caliente se bombea a un generador de vapor convencional para producir vapor sobrecalentado para accionar un conjunto turbina/generador convencional como el que se usa en una central eléctrica de carbón, petróleo o nuclear. Una turbina de 100 megavatios necesitaría un tanque de aproximadamente 9,1 metros (30 pies) de altura y 24 metros (79 pies) de diámetro para accionarla durante cuatro horas con este diseño.        

Se está desarrollando un tanque único con una placa divisora ​​para separar la sal fundida fría de la caliente. ^{[ 21 ]} Es más económico, ya que logra un 100 % más de almacenamiento de calor por unidad de volumen que el sistema de tanques dobles, dado que el tanque de almacenamiento de sal fundida es costoso debido a su compleja construcción. También se utilizan materiales de cambio de fase (PCM) en el almacenamiento de energía de sal fundida, ^{[ 22 ]} mientras que la investigación para obtener PCM con forma estabilizada mediante matrices de alta porosidad está en curso. ^{[ 23 ]}

La mayoría de las centrales termosolares utilizan este concepto de almacenamiento de energía térmica. La central Solana en EE. UU. puede almacenar en sales fundidas el equivalente a 6 horas de generación. Durante el verano de 2013, la central termosolar Gemasolar en España, que utiliza una torre solar y sales fundidas, logró un hito al producir electricidad de forma continua durante 24 horas al día durante 36 días. ^{[ 24 ]} La central termosolar Cerro Dominador , inaugurada en junio de 2021, tiene una capacidad de almacenamiento de calor de 17,5 horas. ^{[ 25 ]}

El silicio sólido o fundido ofrece temperaturas de almacenamiento mucho más elevadas que las sales, con la consiguiente mayor capacidad y eficiencia. Se está investigando como una posible tecnología de almacenamiento más eficiente energéticamente. El silicio es capaz de almacenar más de 1 MWh de energía por metro cúbico a 1400  °C. Una ventaja adicional es la relativa abundancia de silicio en comparación con las sales utilizadas para el mismo fin. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

La tecnología de almacenamiento de energía térmica mediante silicio caliente permitiría almacenar una cantidad significativa de energía térmica a temperaturas extremadamente altas (alrededor de 1400-2000  °C). Esto se aprovecharía utilizando el silicio fundido al rojo vivo para almacenar el exceso de electricidad generada a partir de fuentes renovables cercanas, como la energía solar y la eólica. Este sistema permitiría un almacenamiento de energía más eficiente, económico y de mayor duración en comparación con otras opciones de almacenamiento de calor sensible. ^{[ 28 ]}

Otro material capaz de almacenar energía térmica es el aluminio fundido (reciclado). Esta tecnología fue desarrollada por la empresa sueca Azelio. El material se calienta a 600  °C y, cuando es necesario, la energía se transfiere a un motor Stirling mediante un fluido caloportador.

El aluminio fundido no se utiliza ampliamente para el almacenamiento de energía debido a algunas desventajas que aún no se han superado. Esto incluye la reactividad del aluminio fundido y los desafíos que conlleva su solidificación. Sin embargo, se continúa investigando cómo podría utilizarse el almacenamiento térmico de aluminio debido a su alta densidad energética. Estas tecnologías de almacenamiento basadas en aluminio tienen el potencial de crecer e integrar fuentes de energía renovables como la solar y la eólica en la red eléctrica. Estas tecnologías de almacenamiento de energía son candidatas prometedoras para el almacenamiento a largo plazo con pérdidas mínimas. ^{[ 28 ]}

La roca, la arena y el hormigón tienen una capacidad calorífica de aproximadamente un tercio de la del agua. Por otro lado, el hormigón se puede calentar a temperaturas mucho más altas (1200  °C) mediante, por ejemplo, calefacción eléctrica y, por lo tanto, tiene una capacidad volumétrica total mucho mayor. Así, en el ejemplo siguiente, un cubo aislado de aproximadamente2,8  m³ parecerían proporcionar suficiente almacenamiento para que una sola vivienda satisfaga el 50% de la demanda de calefacción. Esto podría, en principio, utilizarse para almacenar el excedente de calor eólico o solar debido a la capacidad de la calefacción eléctrica para alcanzar altas temperaturas. A nivel de barrio, el proyecto solar Wiggenhausen-Süd en ^{Friedrichshafen} , en el sur de Alemania , ha recibido atención internacional. Este cuenta con una12.000  m³ ⁽​420.000  pies³ ) almacén térmico de hormigón armado conectado ^a4.300  m ² (46.000  pies² de colectores solares, que suministrarán a las 570 casas alrededor del 50% de su calefacción y agua caliente. Siemens-Gamesa construyó un  almacenamiento térmico de 130 MWh cerca de ^Hamburgo con 750  °C en basalto y  una salida eléctrica de 1,5 MW. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Se programó un sistema similar para Sorø , Dinamarca, con el 41-58% del  calor almacenado de 18 MWh devuelto para la calefacción urbana de la ciudad, y el 30-41% devuelto como electricidad, ^{[ 31 ]} pero no retenido.

Las desventajas del uso de rocas calientes y hormigón radican en su capacidad calorífica en comparación con el agua (aproximadamente un tercio), lo que implica que se requieren volúmenes mucho mayores de materiales sólidos para almacenar la misma cantidad de energía, lo que los hace menos adecuados para áreas de almacenamiento con espacio limitado. Sus desafíos también se relacionan con su implementación y mantenimiento. Con el tiempo, la pérdida de calor es inevitable en estos materiales, su degradación y sus altos costos iniciales generan dudas sobre su uso. En cuanto a las dificultades de integración, requieren un diseño complejo para conectar el almacenamiento y la fuente de calor a un sistema de distribución. ^{[ 10 ]}

Presentado en 2022, el "tostador de ladrillos" es un innovador depósito de calor que funciona hasta a 1500  °C (2732  °F). ^{[ 32 ]}

Polar Night Energy instaló una batería térmica en Finlandia que almacena calor en una masa de arena. Se esperaba que redujera las emisiones de carbono de la red de calefacción local hasta en un 70 %. Tiene aproximadamente 13  m de alto y 15  m de ancho. Puede almacenar 100 MWh, con una eficiencia de ciclo completo del 90 %. Las temperaturas alcanzan los  600  °C. El medio de transferencia de calor es el aire, que puede alcanzar temperaturas de 400  °  C, y puede producir vapor para procesos industriales o suministrar calefacción urbana mediante un intercambiador de calor .

La investigación está evaluando apuntalantes de bauxita sinterizada como acumuladores térmicos, calentándolos hasta 1000  °C. Este material se probó comparándolo con alúmina y mullita pulverizadas con plasma, compuestos de alúmina reforzada con fibra y matriz cerámica de mullita reforzada con fibra. Estos cuatro materiales se consideraron por su utilidad como receptores solares, tubos de transporte y tanques de almacenamiento. ^{[ 33 ]}

Las aleaciones con brecha de miscibilidad ^{[ 35 ]} se basan en el cambio de fase de un material metálico (ver: calor latente ) para almacenar energía térmica. ^{[ 36 ]}

En lugar de bombear el metal líquido entre tanques como en un sistema de sales fundidas, el metal se encapsula en otro material metálico con el que no puede alearse ( inmiscible ). Dependiendo de los dos materiales seleccionados (el material de cambio de fase y el material de encapsulación), las densidades de almacenamiento pueden oscilar entre 0,2 y 2  MJ/L.

Se utiliza un fluido de trabajo, generalmente agua o vapor, para transferir el calor dentro y fuera del sistema. La conductividad térmica de las aleaciones con brecha de miscibilidad suele ser mayor (hasta 400  W/(m⋅K)) que la de las tecnologías de la competencia ^{[ 37 ]} , lo que permite una carga y descarga más rápidas del almacenamiento térmico. Esta tecnología aún no se ha implementado a gran escala.

Sin embargo, la tecnología de aleación con brecha de miscibilidad se está implementando principalmente en Australia. Allí fue desarrollada por investigadores de la Universidad de Newcastle y comercializada por la empresa MGA Thermal. ^{[ 38 ]} Sus aplicaciones están surgiendo gradualmente en otras partes del mundo, como una planta de demostración planificada en Europa con un socio comercial suizo para almacenar energía renovable y proporcionar energía limpia. ^{[ 39 ]}

Se están desarrollando varias aplicaciones en las que el hielo se produce durante los períodos de menor demanda y se utiliza para refrigeración posteriormente. ^{[ 40 ] [ 41 ]} Por ejemplo, el aire acondicionado puede proporcionarse de forma más económica utilizando electricidad de bajo costo por la noche para congelar agua en hielo, y luego utilizar la capacidad de refrigeración del hielo por la tarde para reducir la electricidad necesaria para satisfacer las demandas de aire acondicionado. El almacenamiento de energía térmica mediante hielo aprovecha el gran calor de fusión del agua. Históricamente, el hielo se transportaba desde las montañas a las ciudades para su uso como refrigerante. Una tonelada métrica de agua (= un metro cúbico) puede almacenar 334 millones de julios (MJ) o 317 000 BTU (93 kWh). Una instalación de almacenamiento relativamente pequeña puede contener suficiente hielo para enfriar un edificio grande durante un día o una semana.  

Actualmente, el aire acondicionado con almacenamiento de hielo se utiliza a nivel mundial, con un uso significativo en Estados Unidos, principalmente en hoteles, edificios comerciales y universidades. También se utiliza en China, específicamente en servicios públicos en Shenzhen. Otros países donde se emplea, aunque con menor frecuencia, son Japón, Turquía y Malasia (Song et al.). Esta tecnología es eficaz en áreas con alta demanda de refrigeración y en aquellas con periodos de tarifas eléctricas más bajas, ya que esto permite que la reducción de precios se produzca principalmente durante las horas de menor costo. ^{[ 42 ]}

Entre las desventajas de esta tecnología de almacenamiento de energía en frío se incluyen los altos costos iniciales y la necesidad de un espacio físico considerable para los grandes tanques de almacenamiento. También puede haber una menor eficiencia energética debido a que los enfriadores funcionan a temperaturas más bajas para producir hielo. ^{[ 42 ]}

Además de su uso en aplicaciones de refrigeración directa, el hielo también se emplea en sistemas de calefacción con bomba de calor. En estas aplicaciones, la energía de cambio de fase proporciona una importante capacidad térmica cercana al límite inferior de temperatura de funcionamiento de las bombas de calor de fuente de agua. Esto permite que el sistema soporte las condiciones de mayor demanda de calefacción y prolonga el tiempo durante el cual los elementos de la fuente de energía pueden aportar calor al sistema.

El almacenamiento criogénico de energía utiliza la licuefacción del aire o del nitrógeno como depósito de energía.

Un sistema piloto de energía criogénica que utiliza aire líquido como almacén de energía y calor residual de baja calidad para impulsar la reexpansión térmica del aire, funcionó en una central eléctrica en Slough , Reino Unido, en 2010. ^{[ 43 ]}

El almacenamiento criogénico de energía es una buena opción para el uso energético, ya que puede ser independiente de la ubicación. Siempre que exista el espacio necesario para el almacenamiento de estos contenedores, sería posible construirlos. Este sistema de almacenamiento de energía también se caracteriza por su larga duración, aunque tiene altos costos para sistemas autónomos. Esto se debe a que se requiere un aporte energético elevado para el proceso de licuefacción de materiales no tóxicos. ^{[ 44 ]}

Los procesos de adsorción también se incluyen en esta categoría. Se pueden utilizar no solo para almacenar energía térmica, sino también para controlar la humedad del aire. Las zeolitas (aluminosilicatos cristalinos microporosos) y los geles de sílice son idóneos para este fin. En ambientes cálidos y húmedos, esta tecnología se suele utilizar en combinación con cloruro de litio para enfriar el agua.

El bajo coste (200 $/tonelada) y la alta tasa de ciclos (2000×) de las zeolitas sintéticas como Linde 13X con adsorbato de agua han generado un gran interés académico y comercial recientemente para su uso en el almacenamiento de energía térmica (TES), específicamente de energía solar de baja calidad y calor residual. Se han financiado varios proyectos piloto en la UE desde el año 2000 hasta la actualidad (2020). El concepto básico consiste en almacenar energía solar térmica como energía química latente en la zeolita. Normalmente, el aire caliente y seco procedente de colectores solares de placa plana se hace circular a través de un lecho de zeolita para eliminar cualquier adsorbato de agua presente. El almacenamiento puede ser diario, semanal, mensual o incluso estacional, dependiendo del volumen de la zeolita y la superficie de los paneles solares térmicos. Cuando se requiere calor durante la noche, las horas sin sol o el invierno, el aire humidificado circula a través de la zeolita. A medida que la humedad es adsorbida por la zeolita, el calor se libera al aire y, posteriormente, al espacio del edificio. Esta forma de TES, con el uso específico de zeolitas, fue enseñada por primera vez por Guerra en 1978. ^{[ 45 ]} Las ventajas sobre las sales fundidas y otros TES de alta temperatura incluyen que (1) la temperatura requerida es solo la temperatura de estancamiento típica de un colector solar de placa plana, y (2) siempre que la zeolita se mantenga seca, la energía se almacena indefinidamente. Debido a la baja temperatura, y a que la energía se almacena como calor latente de adsorción, eliminando así los requisitos de aislamiento de un sistema de almacenamiento de sales fundidas, los costos son significativamente menores.

Entre las desventajas de la calefacción y el almacenamiento solar se incluyen su menor densidad energética en comparación con otros sistemas de energía térmica, así como la relativa lentitud del proceso de transferencia de energía en el sistema conocido como lecho de absorción. Además, para mantener un rendimiento óptimo, el sistema requiere un mantenimiento minucioso de los controles. Estos controles gestionan factores como la humedad, la temperatura y el flujo de aire, que pueden alterar las condiciones de funcionamiento. ^{[ 10 ]}

Un ejemplo de sistema de almacenamiento experimental basado en la energía de reacción química es la tecnología de hidratos de sal. El sistema utiliza la energía de reacción generada durante la hidratación o deshidratación de las sales. Funciona almacenando calor en un recipiente con una solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 50 %. El calor (por ejemplo, el proveniente de un colector solar) se almacena mediante la evaporación del agua en una reacción endotérmica. Al añadir agua nuevamente, se libera calor en una reacción exotérmica a 50  °C (120  °F). Los sistemas actuales operan con una eficiencia del 60 %. Este sistema resulta especialmente ventajoso para el almacenamiento estacional de energía térmica, ya que la sal deshidratada puede almacenarse a temperatura ambiente durante periodos prolongados sin pérdida de energía. Los recipientes con la sal deshidratada incluso pueden transportarse a otro lugar. El sistema presenta una mayor densidad energética que el calor almacenado en agua y su capacidad puede diseñarse para almacenar energía desde unos pocos meses hasta varios años. ^{[ 46 ]}

En 2013, la empresa holandesa de desarrollo tecnológico TNO presentó los resultados del proyecto MERITS para almacenar calor en un contenedor de sal. El calor, que puede obtenerse de un colector solar en un tejado, expulsa el agua contenida en la sal. Al añadir agua de nuevo, el calor se libera prácticamente sin pérdidas de energía. Un contenedor con unos pocos metros cúbicos de sal podría almacenar suficiente energía termoquímica para calentar una casa durante todo el invierno. En un clima templado como el de los Países Bajos, un hogar medio de bajo consumo energético requiere unos 6,7 GJ/invierno. Para almacenar esta energía en agua (con una diferencia de temperatura de 70  °C), se necesitarían 23 ^m³  de almacenamiento de agua aislado, lo que supera la capacidad de almacenamiento de la mayoría de los hogares. Utilizando la tecnología de hidrato de sal con una densidad de almacenamiento de aproximadamente 1 GJ/m³ ^, podrían ser suficientes ^entre 4 y 8 m³ . ^{[ 47 ]}  

En 2016, investigadores de varios países realizaron experimentos para determinar el mejor tipo de sal o mezcla de sales. La baja presión dentro del contenedor parece favorable para el transporte de energía. ^{[ 48 ]} Las sales orgánicas, denominadas líquidos iónicos , resultan especialmente prometedoras . En comparación con los adsorbentes a base de haluros de litio, son menos problemáticas en términos de recursos globales limitados y, en comparación con la mayoría de los demás haluros y el hidróxido de sodio (NaOH), son menos corrosivas y no se ven afectadas negativamente por la contaminación con CO _2. ^{[ 49 ]}

Aunque las sales ofrecen varias ventajas, la tecnología de hidratos de sal también presenta numerosos inconvenientes. Esto se debe a que, si bien el uso de sales orgánicas y líquidos iónicos muestra potencial en cuanto a estabilidad a largo plazo y rentabilidad en aplicaciones a gran escala, la naturaleza corrosiva de las sales utilizadas, como el cloruro de potasio, exige el uso de materiales resistentes a la corrosión específicos y costosos. Además, las sales cristalizan durante las fases de hidratación y deshidratación, lo que reduce su reactividad y, en consecuencia, la de todo el sistema; esta es otra de sus desventajas. Esta tecnología aún se encuentra en fase de evaluación para su mayor difusión. ^{[ 50 ]}

Se está investigando el almacenamiento de energía en enlaces moleculares. Se han alcanzado densidades de energía equivalentes a las de las baterías de iones de litio . ^{[ 51 ]} Esto se ha logrado mediante una celda de fotoelectrosíntesis disensibilizada (DSPEC). Esta celda puede almacenar la energía captada por paneles solares durante el día para su uso nocturno (o incluso más tarde). Su diseño se inspira en la fotosíntesis natural, un proceso bien conocido.

El DSPEC genera hidrógeno como combustible utilizando la energía solar captada para separar las moléculas de agua en sus elementos. Como resultado de esta separación, el hidrógeno se aísla y el oxígeno se libera al aire. Esto suena más sencillo de lo que realmente es. Cuatro electrones de las moléculas de agua deben separarse y transportarse a otro lugar. Otra parte difícil es el proceso de fusión de las dos moléculas de hidrógeno separadas.

El DSPEC consta de dos componentes: una molécula y una nanopartícula . La molécula, denominada conjunto cromóforo-catalizador, absorbe la luz solar e inicia la catálisis. Este catalizador separa los electrones de las moléculas de agua. Las nanopartículas se ensamblan en una fina capa, y cada nanopartícula individual contiene numerosos conjuntos cromóforo-catalizador. La función de esta fina capa de nanopartículas es transferir los electrones separados del agua. Esta capa está recubierta por una capa de dióxido de titanio. Gracias a este recubrimiento, los electrones liberados se transfieren con mayor rapidez, lo que permite la producción de hidrógeno. Este recubrimiento, a su vez, está recubierto con una capa protectora que refuerza la unión entre el conjunto cromóforo-catalizador y la nanopartícula.

Mediante este método, la energía solar captada por los paneles solares se convierte en combustible (hidrógeno) sin liberar los denominados gases de efecto invernadero. Este combustible puede almacenarse en una pila de combustible y, posteriormente, utilizarse para generar electricidad. ^{[ 52 ]}

Otra prometedora forma de almacenar energía solar para la producción de electricidad y calor es la energía solar térmica molecular (MOST). Este método convierte moléculas mediante fotoisomerización en un isómero de mayor energía . La luz (luz solar) transforma un isómero en otro. Este segundo isómero almacena la energía solar hasta que un catalizador o activador térmico la libera (convirtiendo el isómero en su isómero original).

Un candidato prometedor para MOST es el norbornadieno (NBD). Esto se debe a que el NBD presenta una gran diferencia de energía entre su forma típica y su fotoisómero cuadriciclano (QC), de aproximadamente 96  kJ/mol. Para estos sistemas, las sustituciones donador-aceptor proporcionan un medio eficaz para desplazar hacia el rojo la absorción de mayor longitud de onda. Esto mejora la coincidencia con el espectro solar .

Un desafío para un sistema MOST útil es lograr una densidad de almacenamiento de energía suficiente (superior a 300 kJ/kg). Otro desafío es que la luz pueda ser captada en la región visible. La funcionalización del NBD con unidades donadoras y aceptoras se utiliza para ajustar estos máximos de absorción. Sin embargo, este efecto positivo sobre la absorción se ve contrarrestado por un mayor peso molecular, lo que reduce la densidad de energía. Este efecto positivo sobre la absorción solar reduce el tiempo de almacenamiento de energía cuando la absorción se desplaza hacia el rojo. Una posible solución es acoplar una unidad cromófora a varios interruptores fotoquímicos. En este caso, es ventajoso formar dímeros o trímeros. El NBD comparte un donador o aceptor común.

Un estudio intentó mejorar la estabilidad del fotoisómero de alta energía utilizando dos fotointerruptores acoplados electrónicamente con barreras separadas para la conversión térmica. ^{[ 53 ]} Esto provocó un desplazamiento hacia el azul después de la primera isomerización (NBD-NBD a QC-NBD). Esto condujo a una mayor energía de isomerización del segundo evento de conmutación (QC-NBD a QC-QC). Otra ventaja de compartir un donador es que el peso molecular por unidad de NBD se reduce, aumentando la densidad de energía.

Finalmente, este sistema podría alcanzar un rendimiento cuántico de fotoconversión de hasta el 94%. El rendimiento cuántico es una medida de la eficiencia de la emisión de fotones. Con este sistema, las densidades de energía alcanzaron hasta 559  kJ/kg. ^{[ 53 ]}

En 2022, investigadores informaron sobre la combinación de MOST con un generador termoeléctrico del tamaño de un chip para generar electricidad a partir de él. Según se informa, el sistema puede almacenar energía solar hasta por 18 años y podría ser una opción para el almacenamiento de energía renovable . ^{[ 54 ] [ 55 ]}

En 2026, los investigadores informaron que un sistema MOST basado en pirimidona que utiliza un recipiente Dewar de pirimidona podría proporcionar almacenamiento durante varios años con una densidad de energía de 1,6 MJ/kg (444 Wh/kg). ^{[ 56 ] [ 57 ]}

Los materiales de cambio de fase utilizados para el almacenamiento térmico son capaces de almacenar y liberar una capacidad térmica significativa a la temperatura a la que cambian de fase. Estos materiales se seleccionan en función de aplicaciones específicas, ya que existe un amplio rango de temperaturas útiles en diferentes aplicaciones y una amplia gama de materiales que cambian de fase a distintas temperaturas. Entre estos materiales se incluyen sales y ceras diseñadas específicamente para las aplicaciones a las que están destinados. Además de los materiales manufacturados, el agua también es un material de cambio de fase. El calor latente del agua es de 334 julios/gramo. El cambio de fase del agua se produce a 0  °C (32  °F).

Algunas aplicaciones utilizan la capacidad térmica del agua o el hielo como almacenamiento de frío; otras, como almacenamiento de calor. Puede servir para ambas aplicaciones: el hielo se puede derretir para almacenar calor y luego volver a congelar para calentar un ambiente. La ventaja de utilizar un cambio de fase de esta manera es que una masa determinada de material puede absorber una gran cantidad de energía sin que su temperatura varíe. Por lo tanto, una batería térmica que utiliza un cambio de fase puede ser más ligera o se le puede suministrar más energía sin que su temperatura interna aumente de forma inaceptable.

Las limitaciones comunes de las baterías de cambio de fase suelen ser su baja conductividad térmica, que limita la velocidad de carga y descarga de calor. Sin embargo, los avances más recientes en esta tecnología se centran en mejorar su densidad energética y estabilidad cíclica para optimizar sus aplicaciones. Esto se logra mediante la integración de materiales de cambio de fase en las estructuras de soporte del sistema. Las baterías térmicas de cambio de fase representan una tecnología prometedora y adaptable para la gestión eficiente de la energía térmica en múltiples usos. ^{[ 59 ]}

Una batería térmica encapsulada es físicamente similar a una batería térmica de cambio de fase, ya que consiste en una cantidad confinada de material físico que se calienta o enfría térmicamente para almacenar o extraer energía. Sin embargo, en una batería térmica encapsulada sin cambio de fase, la temperatura de la sustancia cambia sin inducir un cambio de fase. Dado que no se requiere un cambio de fase, existe una mayor variedad de materiales disponibles para su uso en una batería térmica encapsulada. Una de las propiedades clave de una batería térmica encapsulada es su capacidad calorífica volumétrica (VHC), también denominada capacidad calorífica específica volumétrica . Se utilizan diversas sustancias para estas baterías térmicas, por ejemplo, agua, hormigón y arena húmeda o seca. ^{[ 60 ] [ 61 ]}

Un ejemplo de batería térmica encapsulada es un calentador de agua residencial con tanque de almacenamiento. ^{[ 62 ] [ 63 ]} Esta batería térmica generalmente se carga lentamente durante un período de aproximadamente 30 a 60 minutos para su uso rápido cuando sea necesario (por ejemplo, 10 a 15 minutos). Muchas compañías eléctricas, al comprender la naturaleza de "batería térmica" de los calentadores de agua, han comenzado a utilizarlos para absorber el exceso de energía renovable cuando está disponible para su uso posterior por parte del propietario. Según el artículo citado anteriormente, ^{[ 62 ]} "el ahorro neto para el sistema eléctrico en su conjunto podría ser de $200 por año por calentador, parte del cual podría transferirse a su propietario".

Un sistema de almacenamiento de calefacción urbana que utiliza arena o piedra opera en Pornainen , Finlandia, donde un sistema de almacenamiento de calor de 1 MW / 100 MWh (que utiliza 2000 toneladas de residuos de esteatita ) se carga con el excedente de electricidad y puede satisfacer la demanda de calefacción de la zona durante una semana. ^{[ 64 ]} Este sistema se basa en una investigación con un prototipo de batería de arena de 0,1 MW / 8 MWh que se construyó en 2022 para almacenar energía solar y eólica renovable en forma de calor, para su posterior uso como calefacción urbana y, posiblemente, para la generación de energía eléctrica. ^{[ 65 ] [ 66 ]} En Canadá, el almacenamiento térmico para edificios individuales también almacena energía solar y eólica renovable en forma de calor, para su posterior uso como calefacción de espacios o agua para el edificio en el que está instalado. Se diferencia del sistema finlandés por ser compacto, utilizar fluidos bombeados a baja presión y solo puede calentar un edificio en lugar de varios. Puede aprovechar el calor residual de fuentes alternativas, como salas de servidores informáticos o pilas de compost, y almacenarlo para su posterior distribución. ^{[ 67 ]}

Un intercambiador de calor geotérmico (GHEX, por sus siglas en inglés) es una zona de la tierra que se utiliza como batería térmica de ciclo estacional o anual. Estas baterías térmicas son áreas de la tierra a las que se les han colocado tuberías para transferir energía térmica. La energía se añade al GHEX haciendo circular un fluido a mayor temperatura por las tuberías, elevando así la temperatura del terreno local. También se puede extraer energía del GHEX haciendo circular un fluido a menor temperatura por las mismas tuberías.

Los GHEX se implementan generalmente de dos formas. La imagen superior muestra un GHEX horizontal, donde se utiliza una zanja para colocar una serie de tuberías en un circuito cerrado bajo tierra. También se forman perforando pozos en el suelo, ya sea vertical u horizontalmente, y luego se insertan las tuberías en forma de circuito cerrado con una conexión en U en el extremo opuesto.

La energía térmica puede añadirse o extraerse de un GHEX en cualquier momento. Sin embargo, se utilizan con mayor frecuencia como almacenamiento estacional de energía térmica, operando en un ciclo anual, donde la energía se extrae de un edificio durante el verano para refrigerarlo y se añade al GHEX. Posteriormente, esa misma energía se extrae del GHEX en invierno para calentar el edificio. Este ciclo anual de adición y sustracción de energía es altamente predecible gracias al modelado energético del edificio. Una batería térmica utilizada en este modo es una fuente de energía renovable, ya que la energía extraída en invierno se reintegra al GHEX el verano siguiente en un ciclo que se repite continuamente. Este tipo de sistema funciona con energía solar, puesto que el calor del sol en verano se extrae de un edificio y se almacena en el subsuelo para su uso en la calefacción durante el invierno siguiente. Existen dos métodos principales de ensayo de respuesta térmica que se utilizan para caracterizar la conductividad térmica y la capacidad/difusividad térmica de las baterías térmicas GHEX: el ajuste de curva unidimensional en escala logarítmica de tiempo ^{[ 68 ]} y el nuevo método avanzado de ensayo de respuesta térmica. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

Un buen ejemplo de la naturaleza del ciclo anual de una batería térmica GHEX se puede ver en el estudio de edificios ASHRAE. ^{[ 71 ]} Como se ve allí en el gráfico 'Temperaturas del circuito terrestre y del aire ambiente por fecha' (Figura 2-7), se puede ver fácilmente la forma sinusoidal del ciclo anual de la temperatura del suelo a medida que el calor se extrae estacionalmente del suelo en invierno y se devuelve al suelo en verano, creando una "carga térmica" del suelo en una estación que no se descarga y se impulsa en la otra dirección desde el punto neutro hasta una estación posterior. Otros ejemplos más avanzados de baterías térmicas terrestres que utilizan patrones térmicos intencionales de pozos están actualmente en investigación y uso inicial. Los GHEX se utilizan comúnmente en redes de energía térmica y geotérmica en red .

La batería térmica vertical es una nueva forma de intercambiador de calor subterráneo de gran diámetro (GHEX) combinado con un tanque completamente enterrado que se extiende verticalmente en la tierra, especialmente en la zona de sobrecarga sobre el lecho rocoso. Las primeras baterías térmicas verticales fueron creadas por el Grupo de Investigación de Almacenamiento de Energía Térmica de ORNL . ^{[ 72 ]} Esta forma de TES es particularmente valiosa en áreas con niveles freáticos altos, ya que conecta eficazmente un tanque TES a un área más amplia que lo rodea, aumentando así su eficacia de almacenamiento térmico. Se espera que esta forma de batería térmica sea útil para redes de energía térmica.

En la industria de defensa, las baterías primarias de sales fundidas se denominan "baterías térmicas". Son baterías eléctricas no recargables que utilizan una mezcla eutéctica de bajo punto de fusión de sales metálicas iónicas (cloruros, bromuros, etc., de sodio, potasio y litio) como electrolito, fabricadas con las sales en estado sólido. Mientras las sales permanezcan sólidas, la batería tiene una larga vida útil de hasta 50 años. ^{[ 73 ]} Una vez activada (generalmente mediante una fuente de calor pirotécnica ) y fundido el electrolito, es muy fiable y ofrece una alta densidad de energía y potencia. Se utilizan ampliamente en aplicaciones militares, como misiles guiados de pequeño y gran tamaño, y armas nucleares.

Existen otros artículos que históricamente se han denominado "baterías térmicas", como las bolsas térmicas de almacenamiento de energía que usan los esquiadores para mantener calientes las manos y los pies (véase calentador de manos ). Estas contienen polvo de hierro humedecido con agua salada sin oxígeno, que se corroe rápidamente en cuestión de horas al exponerse al aire, liberando calor. Las bolsas de frío instantáneo absorben el calor mediante un cambio de fase no químico, como la absorción del calor endotérmico de la disolución de ciertos compuestos.

El principio común de estas otras baterías térmicas es que la reacción involucrada no es reversible. Por lo tanto, estas baterías no se utilizan para almacenar y recuperar energía térmica.