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Una batería de Carnot es un tipo de sistema de almacenamiento de energía que almacena electricidad en forma de energía térmica. Durante el proceso de carga, la electricidad se convierte en calor para su almacenamiento térmico. Durante el proceso de descarga, el calor almacenado se convierte de nuevo en electricidad^[1].

“Marguerre” patentó el concepto de esta tecnología hace 100 años^[2], pero su desarrollo se ha revitalizado recientemente con el objetivo de aumentar la proporción de energía generada por fuentes renovables a la red. Por otro lado, “Andre Thess” inventó el término Batería de Carnot en 2018 antes del primer Taller Internacional sobre Baterías de Carnot. ^[3]

El nombre de "batería de Carnot" proviene del teorema de Carnot, que describe la eficiencia máxima de convertir calor en energía mecánica. La palabra "batería" indica que el propósito de esta tecnología es almacenar electricidad. La eficiencia de descarga de las baterías de Carnot está limitada por la eficiencia de Carnot .

El Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la Universidad de Stuttgart han estado trabajando en el concepto de baterías de Carnot que almacenan electricidad en forma de calor a alta temperatura desde 2014. En 2018, DLR utilizó el nombre "batería de Carnot" en Hannover Messe, una de las ferias comerciales más grandes del mundo. Sin embargo, el concepto de baterías de Carnot abarca las tecnologías que se han desarrollado durante años, como el almacenamiento de energía térmica de bombeo y el almacenamiento de energía en aire líquido .

Antecedentes

En la transición a sistemas energéticos bajos en carbono, la penetración de las energías renovables variables en los sistemas de energía eléctrica aumenta, lo que aumenta la necesidad de almacenamiento de energía . Actualmente, la mayor parte de la nueva capacidad de almacenamiento de energía instalada proviene de baterías electroquímicas, como las baterías de ion-litio. Este tipo de batería es adecuado para el almacenamiento de corta duración, pero puede no ser económico para duraciones más largas debido a su alto coste por capacidad energética. El almacenamiento en energía térmica puede almacenar energía en materiales económicos, como agua, rocas y sales. Por lo tanto, el costo de los sistemas a gran escala (por ejemplo, gigavatios hora) puede ser menor que el de las baterías electroquímicas.

El Anexo 36 de Almacenamiento de energía - Baterías de Carnot es un grupo de trabajo del programa Conservación de Energía y Almacenamiento Energético (ECES por sus siglas en inglés), que forma parte de un Programa de Colaboración Tecnológica (TCP) de la Agencia Internacional de Energía (AIE) .

Configuración del sistema

Tecnologías de almacenamiento térmico y posibles métodos de conversión energética

Una batería de Carnot se puede dividir en tres partes: (i) eléctrica a térmica (EaT), (ii) almacenamiento en energía térmica (AET) y (iii) térmica a eléctrica (TaE).

Electricidad a calor

La electricidad se puede convertir en calor mediante el uso de diversas tecnologías.

Calentamiento resistivo
La bomba de calor es la tecnología para bombear calor desde un reservorio de temperatura más baja a uno de temperatura más alta. Se puede dividir en dos grupos: ciclo de Rankine inverso y ciclo de Brayton inverso.
- El ciclo de Rankine inverso ha sido ampliamente utilizado en bombas de calor convencionales.
- El concepto de usar el ciclo Brayton para cargar y descargar energía térmica fue propuesto por el Prof. Robert B. Laughlin en 2017.
Otros: En los sistemas de almacenamiento de energía en aire líquido, el Ciclo Claude se utiliza para licuar el aire. El proceso Lamm-Honigmann utiliza ciclos termoquímicos para convertir energía en calor.

Almacenamiento en energía térmica

Según el mecanismo para almacenar calor, el almacenamiento en energía térmica se puede dividir en tres tipos: almacenamiento en calor sensible, almacenamiento en calor latente y almacenamiento termoquímico. Los materiales de almacenamiento que se han utilizado para las baterías de Carnot son:

Agua caliente
Sal fundida
Rocas de lecho compacto
Aire liquido
Almacenamiento de energía térmica en calor latente
Materiales termoquímicos (pares de productos químicos), como LiBr/H2O y H2O/NH3

Calor a electricidad

El calor se puede convertir en energía a través de ciclos termodinámicos, como el ciclo Rankine o el ciclo Brayton. Algunas tecnologías utilizan propiedades de los materiales semiconductores para convertir el calor en electricidad, pero esas tecnologías no se encuadran en las batería de Carnot porque no involucran ciclos termodinámicos en el proceso de conversión, como los materiales termoeléctricos y el "Sol en una caja". Las tecnologías típicas son:

Motor térmico
Turbina de vapor
Turbina de gas ^[4]
Máquinas de ciclo orgánico Rankine
El proceso de Lamm-Honigmann puede convertir la energía almacenada de forma termoquímica en electricidad.

Ventajas y desventajas

La batería de Carnot es también conocida por otros nombres, tales como "Almacenamiento de electricidad en energía térmica bombeada" (PTES) o "Almacenamiento de electricidad en calor bombeado" (PHES). Esta tecnología relativamente nueva se ha convertido en una de las tecnologías de almacenamiento de energía a gran escala más prometedoras.

Las ventajas principales de las batería de Carnot son:^[5]

Selección de ubicación libre, no condicionada por el clima;
Huella medioambiental baja;
Esperanza de vida de 20–30 años;
Capacidad de proporcionar respaldo de red a bajo coste;
Posibilidad de reutilizar componentes de una planta de combustibles fósiles que se vaya a desmantelar o esté siendo explotada por debajo de su capacidad nominal;

El mayor inconveniente de esta tecnología es:^[6]

La limitada eficacia de ciclo 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑, la cual relaciona la electricidad entregada durante la descarga (𝑾𝒅𝒊𝒔), con la electricidad necesaria para la carga del sistema (𝑾𝒄𝒉𝒂𝒓). Las baterías de Carnot tienen como objetivo valores típicos de entre el 40-70% de eficiencia de ciclo, considerablemente inferiores a las de almacenmiento hidroeléctrico de bombeo (65-85%).^[7]

Aplicación

Las baterías de Carnot se pueden utilizar como sistemas de almacenamiento de energía de red, almacenando el exceso de energía generado por fuentes renovables no gestionables, devolviéndola a la red cuando sea necesaria.

Algunos sistemas de baterías de Carnot pueden utilizar el calor o el frío almacenados para otras aplicaciones, como calefacción urbana o refrigeración de centros de datos .

Las baterías de Carnot se han propuesto como una solución para convertir las centrales eléctricas de carbón existentes en un sistema de generación libre de combustibles fósiles mediante la sustitución de la caldera de carbón. En esta configuración, parte de las instalaciones existentes de estas centrales eléctricas pueden reaprovecharse, tales como los sistemas de generación de energía y los sistemas de transmisión.

Lista de proyectos de baterías de Carnot

Aunque el término batería de Carnot es nuevo, muchas tecnologías existentes pueden clasificarse como baterías de Carnot.

Almacenamiento de energía en aire líquido: Highview Power, Universidad de Birmingham
Almacenamiento en energía térmica de bombeo: Malta Inc., Universidad de Durham
Almacenamiento eléctrico en energía térmica: Siemens Gamesa, Laboratorio Nacional de Energías Renovables
Bomba de calor reversible / ORC: Universidad de Lieja
Almacenamiento de energía Lamm-Honigmann: Universidad Técnica de Berlín ^[8]

Ver también

[[Categoría:Almacenamiento de energía]]

Referencias

↑ Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vincent (2020-12). «Carnot battery technology: A state-of-the-art review». Journal of Energy Storage (en inglés) 32: 101756. doi:10.1016/j.est.2020.101756. Consultado el 4 de marzo de 2022.
↑ Marguerre F., « Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie.
↑ «International Workshop on Carnot Batteries».
↑ Holy, Felix; Textor, Michel; Lechner, Stefan (1 de diciembre de 2021). «Gas turbine cogeneration concepts for the pressureless discharge of high temperature thermal energy storage units». Journal of Energy Storage (en inglés) 44: 103283. ISSN 2352-152X. doi:10.1016/j.est.2021.103283.
↑ W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer, et M. Johnson, « Pumped thermal energy storage (PTES) as smart sector-coupling technology for heat and electricity », Energy, vol. 183, p. 185‑190, sept. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.
↑ W. D. Steinmann, « The CHEST (Compressed Heat Energy STorage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage », Energy, vol. 69, p. 543‑552, mai 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.
↑ A. Koen et P. F. Antunez, « How heat can be used to store renewable energy », The Conversation. http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (consulté le févr. 27, 2020).
↑ «project website». TU Berlin. Consultado el 15 April 2021.

[1] Dumont, Olivier; Frate, Guido Francesco; Pillai, Aditya; Lecompte, Steven; De paepe, Michel; Lemort, Vincent (2020-12). «Carnot battery technology: A state-of-the-art review». Journal of Energy Storage (en inglés) 32: 101756. doi:10.1016/j.est.2020.101756. Consultado el 4 de marzo de 2022.

[2] Marguerre F., « Ueber ein neues Verfahren zur Aufspeicherung elektrischer Energie.

[3] «International Workshop on Carnot Batteries».

[4] Holy, Felix; Textor, Michel; Lechner, Stefan (1 de diciembre de 2021). «Gas turbine cogeneration concepts for the pressureless discharge of high temperature thermal energy storage units». Journal of Energy Storage (en inglés) 44: 103283. ISSN 2352-152X. doi:10.1016/j.est.2021.103283.

[5] W.-D. Steinmann, D. Bauer, H. Jockenhöfer, et M. Johnson, « Pumped thermal energy storage (PTES) as smart sector-coupling technology for heat and electricity », Energy, vol. 183, p. 185‑190, sept. 2019, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.058.

[6] W. D. Steinmann, « The CHEST (Compressed Heat Energy STorage) concept for facility scale thermo mechanical energy storage », Energy, vol. 69, p. 543‑552, mai 2014, doi: 10.1016/j.energy.2014.03.049.

[7] A. Koen et P. F. Antunez, « How heat can be used to store renewable energy », The Conversation. http://theconversation.com/how-heat-can-be-used-to-store-renewable-energy-130549 (consulté le févr. 27, 2020).

[8] «project website». TU Berlin. Consultado el 15 April 2021.

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