La tecnología termoquímica muestra un camino prometedor para la calefacción de edificios

La energía almacenada en materiales termoquímicos puede calentar eficazmente espacios interiores, especialmente en regiones húmedas, según investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EEUU.

En colaboración con representantes de la industria e investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los científicos determinaron una configuración realista para integrar materiales termoquímicos (TCM) en el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado de un edificio. Los TCM de hidrato de sal se consideran candidatos prometedores para proporcionar flexibilidad de carga al sistema de calefacción de un edificio. Esta flexibilidad podría permitir reducir los requisitos eléctricos del sistema de calefacción o desplazar la carga a momentos en los que la electricidad sea menos costosa o más limpia.

El TCM se descarga y se carga mediante reacciones de hidratación y deshidratación, respectivamente. La hidratación de la sal libera calor, que se utiliza para calentar el edificio, y se requiere calor adicional de la bomba de calor en otros momentos del día para deshidratar o cargar el TCM. Esto significa que el reactor necesita interactuar con vapor de agua. Este vapor de agua podría provenir directamente del aire ambiente, en cuyo caso el TCM es un sistema abierto. O el TCM podría estar en una cámara aislada, sin aire, lo que se conoce como un sistema cerrado. En este caso, el vapor de agua proviene de la evaporación de agua líquida de una segunda cámara.

Sistemas abiertos

Los sistemas abiertos son más simples, pero presentan un desafío durante el invierno. El vapor de agua suele ser escaso y el uso del aire interior para impulsar la reacción de hidratación puede reducir la humedad del edificio a un nivel incómodo, mientras que el aire frío del exterior contiene una humedad limitada.

“La forma en que integramos el reactor en el edificio nos permitió hacerlo sin secar la casa”, dijo Jason Woods, ingeniero de investigación sénior del Grupo de Investigación de Equipos Avanzados para Edificios del NREL y coautor del nuevo artículo sobre este tema. “Es importante pensar de dónde proviene la humedad, porque el rendimiento puede verse afectado significativamente en función de cómo se integre”.

El artículo, “Almacenamiento termoquímico de energía en ciclo abierto para calefacción de espacios en edificios: configuraciones prácticas del sistema y densidad energética efectiva”, aparece en la edición de diciembre de la revista Applied Energy.

La investigación, que fue financiada por la Oficina de Tecnologías de la Construcción del Departamento de Energía, surgió de las prioridades de financiación establecidas por la oficina en 2019 con respecto al almacenamiento de energía térmica. Los edificios requieren una cantidad considerable de energía para calentarse y enfriarse, por lo que el almacenamiento de energía térmica ofrece una oportunidad para cambiar y dar forma a la carga eléctrica. Esto respalda la descarbonización al alinear el funcionamiento de las bombas de calor eléctricas con los momentos en que hay energía baja en carbono disponible.

Reactor TCM alimentado por cloruro de estroncio

Los investigadores examinaron el rendimiento térmico de un reactor TCM alimentado por cloruro de estroncio, que emite calor al reaccionar con el vapor de agua del aire. Consideraron una variedad de climas y tipos de edificios, examinaron varias configuraciones y prestaron especial atención a la fuente de vapor de agua. La investigación utilizó modelos informáticos que luego se verificaron con datos experimentales.

La configuración con mejores resultados permitió que el reactor TCM calentara el aire que sale del edificio, que está a la misma temperatura y humedad que el aire interior. Una vez calentado, el aire calienta indirectamente la ventilación entrante a través de un intercambiador de calor. Esto evita que el reactor deshumidifique el aire interior y proporciona un nivel de humedad suficiente. Además de compensar la energía necesaria para calentar el aire de ventilación necesario, el aire se puede calentar por encima de la temperatura interior, lo que reduce la energía necesaria para mantener la temperatura interior mediante un horno o una bomba de calor.

Sin embargo, esta configuración sólo funciona en edificios que tienen el respiradero de escape ubicado cerca de la ventilación de entrada. Woods dijo que el reactor no está destinado a reemplazar una bomba de calor o un horno, sino a almacenar energía para su uso posterior.

La humedad, factor clave

Al modelar el reactor TCM, los investigadores supusieron que la temperatura interior era de 21 grados Celsius (69,8 grados Fahrenheit). La humedad relativa resultó ser el factor clave que afectaba al rendimiento del reactor. Calcularon el rendimiento del reactor en cuatro climas: Atlanta, Nueva York, Minneapolis y Seattle. Entre esas ciudades, el reactor tendría el peor rendimiento en Minneapolis debido al clima más frío y seco del invierno.

“Hay poca humedad en el aire frío, por lo que la humedad en el interior es menor y es más difícil impulsar la reacción de la medicina tradicional china”, dijo Woods.

Con su mayor humedad, un reactor TCM en Seattle tendría un rendimiento térmico mayor, calcularon los investigadores.

Además de considerar una vivienda unifamiliar, la investigación también examinó el funcionamiento de la tecnología en el vestíbulo de un hotel pequeño, un edificio de oficinas de tamaño mediano y habitaciones de pacientes de un hospital. El costo marginal de capital para un sistema TCM disminuye a medida que aumenta el tamaño del edificio, y se estima que el costo nivelado de almacenamiento (LCOS) es inferior a 10 centavos por kilovatio-hora.

En el futuro, los investigadores seguirán avanzando con esta tecnología. El bajo LCOS indica que la tecnología tiene un camino factible hacia la comercialización, pero se necesita trabajo adicional para cuantificar los costos de fabricación, integración, empaquetado e instalación del reactor. Para que esta sea una tecnología rentable será necesario abordar cada uno de estos costos. Los investigadores también están explorando otras opciones para integrar los TCM en los sistemas HVAC, incluidos los sistemas de ciclo cerrado mencionados anteriormente. Estos sistemas no están limitados por la humedad ambiental, pero vienen con un conjunto separado de desafíos que esperan resolver con más investigación.