Almacenamiento de energía renovable por bombeo Brayton

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Un grupo de científicos de la Universidad de Durham (Reino Unido) ha propuesto el uso del almacenamiento de energía térmica por bombeo Brayton (PTES) para el almacenamiento de la electricidad de la red a gran escala, en forma de energía térmica de alto grado.

Los sistemas PTES utilizan un ciclo térmico en funcionamiento para transformar el calor de baja temperatura en calor de alta temperatura y luego almacenarlo en una unidad de almacenamiento térmico durante la carga. Los sistemas permiten una mayor eficiencia de almacenamiento que el calentamiento eléctrico directo de la unidad de almacenamiento térmico y son supuestamente una forma prometedora de gestionar la energía renovable intermitente. La tecnología modelada por el grupo británico se basa en el llamado ciclo de Brayton e implica el uso de ciclos reversibles de bomba de calor y motor térmico para almacenar electricidad en forma de energía térmica.

«El sistema funciona como un ciclo de bomba de calor durante la carga y como un motor térmico durante la descarga», explican los científicos. «La energía térmica se transfiere al fluido de trabajo durante la compresión y la expansión».

El sistema Brayton PTES propuesto se basa en el almacenamiento térmico en lechos empaquetados, que incluye mecanismos de transferencia de calor dentro del propio sistema. Los lechos empacados se modelaron como tanques bien aislados que almacenan material térmico sin fugas de calor. El almacenamiento de calor latente, que aprovecha los fenómenos de fusión y solidificación de un material de cambio de fase (PCM) para absorber o liberar calor, se utilizó para maximizar la duración de la región de alta potencia y aumentar la eficiencia global del sistema.

«Se aumentaron los volúmenes de los depósitos y se añadieron PCM aguas abajo de la sección principal de almacenamiento; la longitud de cada depósito se incrementó en un 50%», explicaron los científicos. «Será necesario realizar un análisis específico en la aplicación de los PCM individuales con cada sistema si se quieren implantar comercialmente en el futuro».

El sistema se basa en un concepto de PTES Brayton demostrado por la empresa británica Isentropic Inc. Consiste en dos contenedores aislados llenos de roca o grava triturada, un recipiente caliente que funciona a alta temperatura y alta presión, y un recipiente frío que funciona a baja temperatura y baja presión. Los dos recipientes están conectados mediante tuberías y todo el sistema está lleno de argón, un gas de protección inerte que se utiliza sobre todo en procesos industriales a alta temperatura.

Se ha supuesto que el sistema modelado tiene una potencia nominal de 1 MW y una capacidad de almacenamiento de 4 MWh. Se basó en tanques de almacenamiento de lecho empacado caliente y frío que dependen de la magnetita con un motor-generador que conecta el compresor expansor (CE) en un solo eje. Se seleccionó la magnetita por su elevado calor específico, siguiendo un concepto desarrollado en el sistema de demostración Isentrópico.

Mediante su modelización, los investigadores descubrieron que la adición del almacenamiento de calor latente podía mejorar la eficiencia global del sistema hasta un 80%.

«Como el tiempo de descarga estaba limitado por la fuente de energía renovable y las condiciones del mercado, el objetivo de este estudio era maximizar la duración de la región de alta potencia y disminuir el tamaño del frente de potencia en el dispositivo de expansión del compresor (CE). Esto puede lograrse alargando los depósitos y aumentando la relación de temperatura de segmentación», dijeron. «Se reconoce que el uso de los dispositivos CE recíprocos de alta eficiencia contribuyó a la alta eficiencia predicha del sistema y es probable que otras suposiciones, como la conversión electromecánica ideal, también reduzcan la energía recuperada en la descarga en un sistema real».

Presentaron sus conclusiones en «Operation and performance of Brayton Pumped Thermal Energy Storage with additional latent storage«, que se publicó recientemente en Applied Energy.

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