Almacenamiento térmico para la transición energética

La energía no se almacena en forma de aumento de calor sino en forma de estado químico

05.10.2021 - Alemania

En Alemania, el 55% del consumo final de energía se destina a la calefacción y la refrigeración. Sin embargo, gran parte del calor se disipa sin ser utilizado porque no se genera como y cuando se necesita. El almacenamiento térmico con material de zeolita permite guardar el calor durante largos periodos de tiempo sin que se pierda. Los investigadores de Fraunhofer trabajan ahora en la mejora significativa de la conductividad térmica de las zeolitas.

Hoy en día, muchos tejados albergan colectores solares que suministran agua caliente a los hogares. Esto funciona bastante bien en verano; sin embargo, la demanda de calefacción alcanza su punto máximo en invierno, cuando los hogares necesitan calefacción. Por tanto, el almacenamiento térmico debe ser capaz de guardar una parte del exceso de calor para utilizarlo más adelante. Tradicionalmente, se han utilizado grandes depósitos de agua para este fin; el agua se calienta en estos depósitos y el calor se almacena directamente como calor. El problema de este método es que se necesitan grandes volúmenes y, a pesar de un buen aislamiento, el calor también se pierde. En cambio, el almacenamiento termoquímico permite conservar la energía térmica producida en verano para utilizarla en el frío invierno. Las zeolitas son una de estas soluciones de almacenamiento. A diferencia del agua, las zeolitas no almacenan el calor directamente, sino que el calor elimina el agua que se almacena dentro del material. Por tanto, en estado energético, las zeolitas están completamente secas; en cambio, cuando el vapor de agua pasa por los gránulos, se libera calor. La ventaja de esto es que la energía no se almacena en forma de aumento de calor, sino en forma de estado químico. Esto significa que el calor no se pierde durante el almacenamiento a largo plazo. Hay un inconveniente: Las zeolitas tienen una escasa conductividad térmica, lo que dificulta la transferencia del calor del intercambiador al material y viceversa.

Recubrimiento con aluminio

Un equipo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Electrónica Orgánica, Tecnología de Haz de Electrones y Plasma FEP ha resuelto este problema gracias a su trabajo en el proyecto ZeoMet. "Recubrimos los gránulos de zeolita con aluminio, lo que duplicó la conductividad térmica tras el primer intento sin afectar negativamente a la adsorción y desorción de agua. Actualmente, nuestro objetivo es aumentarla entre cinco y diez veces mediante el ajuste de los revestimientos", afirma la Dra. Heidrun Klostermann, directora de proyectos de Fraunhofer FEP. Aunque esto parece relativamente sencillo, en realidad plantea retos considerables. Esto significa que para un litro de gránulos con un tamaño de grano de cinco milímetros, hay que recubrir uniformemente con aluminio unos diez mil de estos diminutos gránulos. Para un tamaño de grano de un milímetro, esto supone un millón de gránulos con una superficie total de 3,6 m2. Cuanto más pequeño sea el grano, más difícil será el proceso. Sin embargo, los granos más pequeños también aumentan la densidad de potencia específica de los sistemas de almacenamiento térmico. Para conseguir una conductividad térmica suficiente, el revestimiento también debe tener decenas de micrómetros de grosor, lo que en los procesos de revestimiento al vacío es mucho más grueso de lo habitual.

Sin embargo, los investigadores superaron estos retos. Para ello, recurrieron a la evaporación térmica, mediante la cual el hilo de aluminio se introduce continuamente en una placa de cerámica calentada en el vacío, donde el aluminio se evapora y se deposita sobre los gránulos como una capa de aluminio. Los gránulos deben circular continuamente en un barril para que se cubran todos uniformemente. "La principal dificultad residía en recubrir los gránulos mientras rodaban, así como en garantizar que el recubrimiento se aplicara de forma uniforme en un grado suficiente", dice Klostermann. "La excelente colaboración de nuestros ingenieros, físicos y mecánicos de precisión fue la principal baza para conseguirlo".

También una opción para la refrigeración

Las zeolitas no sólo son un buen método de almacenamiento térmico: También pueden ayudar a proporcionar refrigeración para uso doméstico junto a los colectores solares, así como para aplicaciones móviles. Por ejemplo, en los vehículos comerciales, el calor que se pierde en la unidad de potencia podría utilizarse para el aire acondicionado como parte de un ciclo termoquímico. Desde el punto de vista de los investigadores del Fraunhofer FEP, los materiales híbridos utilizados para ello presentan nuevos retos. Por ello, los científicos están tratando de reforzar sus conexiones con los desarrolladores de materiales y los ingenieros de sistemas de la investigación y la industria, con la esperanza de avanzar en las soluciones para el suministro flexible de calefacción y refrigeración.

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