Crean en España una bomba de calor termoeléctrica para almacenar energía térmica

Científicos del Instituto de Smart Cities de la Universidad de Navarra, del Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)  y de la Asociación de la Industria Navarra (AIN), han diseñado un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES, por sus siglas en inglés) que utiliza una bomba de calor termoeléctrica (TEHP) como tecnología power-to-heat para alcanzar temperaturas elevadas en la carga del propio sistema de almacenamiento.

El estudio se ha dado a conocer en el artículo “Enhancement of the Power-to-Heat Energy Conversion Process of a Thermal Energy Storage Cycle through the use of a Thermoelectric Heat Pump“, que se publicará en Applied Thermal Engineering. El diseño cuenta con cuatro componentes principales, a saber, un sistema de bomba de calor termoeléctrica, una resistencia eléctrica y un ciclo TES que se basa en un ciclo abierto con aire como fluido de transferencia de calor. El ventilador se coloca en la entrada de aire del ciclo, y el aire empujado es calentado por la TEHP, que utiliza módulos termoeléctricos (TEM) con una resistencia eléctrica complementaria.

“El análisis se centra en evaluar el coeficiente de rendimiento (COP) y la capacidad calorífica variando el suministro de voltaje y el caudal de aire”, explicaron los científicos. La TEHP se utiliza como alternativa a los tubos de calor de conductancia variable (VCHP).

“Los TEM suelen estar formados por dos placas cerámicas y varios termopares formados por uniones de semiconductores n y p, conectados térmicamente en paralelo y eléctricamente en serie”, explican los académicos. “Cuando se suministra una corriente, el calor se bombea del disipador frío al caliente por efecto Peltier”.

La parte termoeléctrica del sistema está formada por seis bloques TEHP. Los tres primeros utilizan una configuración de bomba de calor termoeléctrica de una etapa (OTEHP), cada uno de ellos con un TEM con un intercambiador de calor a cada lado. Los tres bloques TEHP siguientes comprenden bombas de calor termoeléctricas de dos etapas (TTEHP) con una configuración piramidal.

“El diseño de este intercambiador de calor intermedio utiliza un sistema altamente eficiente compuesto por cuatro tubos de calor con agua como fluido de trabajo”, añaden los investigadores. “La transferencia de calor de la primera etapa a la segunda se produce a través de estos tubos mediante el cambio de fase del agua”.

Los investigadores también construyeron un prototipo del sistema y probaron 45 escenarios con diferentes voltajes en la resistencia, temperatura de entrada al acumulador y caudales de aire. Las tensiones fueron de 4 V, 6 V, 8 V y 10 V; las temperaturas de entrada, de 120 C, 160 C y 200 C; y los caudales, de 13 m3/hora, 18 m3/hora y 23 m3/hora.

“Con el mayor caudal de aire estudiado (23 m3/h), se pueden generar 655,5 W de calor con un COP de 1,35, elevando la temperatura del flujo de aire desde la temperatura ambiente hasta 113,1 C”, concluyó el grupo. “La integración del sistema TEHP desarrollado en el proceso de carga de un sistema de almacenamiento de energía térmica basado en resistencias eléctricas aumenta la eficiencia de conversión de energía en un 15% y un 30% para temperaturas de almacenamiento de energía entre 120 C y 200 C”.

Según los autores del estudio, la configuración del sistema propuesto puede alcanzar una eficiencia global del 112,6% a 135 C. De cara al futuro, afirman que quieren comprender el comportamiento del sistema con temperaturas de fuente fría variables y explorar el uso de distintos fluidos calefactores, incluida la integración de materiales de cambio de fase (PCM).