Executive Summary
- El almacenamiento de energía térmica captura el excedente de energía en forma de calor o frío utilizando materiales como sales fundidas, materiales de cambio de fase (PCM) o rocas calentadas, y luego la libera cuando es necesario. Múltiples análisis técnico-económicos y de ciclo de vida indican que tiene costes más bajos y un menor impacto medioambiental que muchas tecnologías de almacenamiento de energía renovable ampliamente desplegadas, con una mayor eficiencia energética y densidad energética que las alternativas mecánicas o químicas.
- Los medios de almacenamiento se dividen en tres categorías generales. Los materiales de calor sensible, como el agua, las rocas, el hormigón, los ladrillos, la cerámica, el grafito y las sales fundidas, almacenan calor a través de su capacidad calorífica específica. Los materiales de cambio de fase, como la cera de parafina, los hidratos salinos, los ácidos grasos y el polietilenglicol, almacenan calor a través de transiciones entre sólido y líquido. Los materiales termoquímicos, como las zeolitas, los hidruros metálicos y los hidróxidos, almacenan calor a través de reacciones químicas reversibles.
- Tanto las publicaciones en revistas como las patentes han crecido de forma constante en los últimos 20 años, con una aceleración notable desde 2019. El análisis de conceptos de la CAS Content Collection muestra el crecimiento más rápido en torno a los PCM, los colectores solares, las bombas de calor, la microencapsulación, los alcanos, la parafina y los polioxialquilenos, junto con el uso de grafito, cobre, grafeno y aluminio para aumentar la conductividad térmica de los compuestos.
- El almacenamiento de energía térmica está llegando ahora al despliegue comercial en múltiples casos de uso, incluyendo la reducción de picos en el aire acondicionado, baterías de calor industriales que suministran hasta 1.800 °C, generación de electricidad a partir de plantas solares concentradas, y calefacción y refrigeración de edificios mediante PCM en materiales de construcción. Otras aplicaciones emergentes incluyen la desalinización sostenible, los textiles inteligentes y usos biomédicos como la terapia fototérmica y la administración de fármacos.
Las fuentes de energía renovables como la eólica y la solar son cruciales para reducir las emisiones. Sin embargo, para aprovechar plenamente estas fuentes, el exceso de energía debe almacenarse para que esté disponible cuando no sopla el viento o no brilla el sol. El almacenamiento de energía en baterías ha crecido para cubrir esta necesidad, pero ¿qué pasaría si hubiera otros métodos rentables y energéticamente eficientes?
El almacenamiento de energía térmica es uno de esos métodos, y múltiples análisis, incluidos los análisis técnico-económicos y de ciclo de vida, indican que el almacenamiento de energía térmica tiene costes más bajos y un menor impacto medioambiental en comparación con muchas tecnologías de almacenamiento de energía renovable ampliamente utilizadas. Además, la eficiencia energética y la densidad energética de los sistemas de almacenamiento de energía térmica es superior a la de muchas otras tecnologías comunes de almacenamiento de energía, como el almacenamiento mecánico y químico.
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El almacenamiento de energía térmica ofrece la ventaja distintiva de gestionar las temperaturas dentro de los edificios, un proceso que es cada año más importante a medida que las temperaturas aumentan y las olas de calor se vuelven más severas. Estos sistemas capturan el calor durante el día y lo liberan de forma pasiva por la noche a medida que las temperaturas descienden. Esencialmente, el almacenamiento de energía térmica a partir de fuentes renovables puede mantener los edificios frescos sin añadir más emisiones atmosféricas, rompiendo así el círculo vicioso de utilizar más aparatos de aire acondicionado alimentados por combustibles fósiles.
Dados estos beneficios y la urgencia de alcanzar las emisiones netas cero para 2050, según lo estipulado por el Acuerdo de París de 2015, analizamos el CAS Content CollectionTM, la mayor recopilación de información científica catalogada por expertos, para comprender cómo se está desarrollando esta tecnología. Descubrimos que ciertos conceptos clave aparecían de forma recurrente en la bibliografía, lo que sugiere que podrían producirse más avances en la intersección de estas ideas.
Cómo funciona el almacenamiento de energía térmica
El almacenamiento de energía térmica captura y almacena energía en forma de calor utilizando materiales como sales fundidas, materiales de cambio de fase (PCM) o rocas calentadas para su posterior conversión en electricidad. Las baterías térmicas, también conocidas como sistemas de almacenamiento de energía térmica, son tecnologías innovadoras que capturan y almacenan el excedente de energía térmica, ya sea calor o frío, para su uso futuro.
Al aprovechar materiales y procesos especializados capaces de absorber, almacenar y liberar energía térmica según sea necesario, estos sistemas desempeñan un papel vital en la optimización de la eficiencia y la fiabilidad energética. Esto resulta valioso para reducir las emisiones industriales, ya que el calor almacenado puede utilizarse directamente en procesos industriales de alta temperatura o para generar vapor con el que alimentar dichos procesos.
Existen numerosos tipos de materiales capaces de almacenar energía térmica, como se muestra en la Tabla 1:
Tabla 1: Tipos y ejemplos de materiales de almacenamiento de energía térmica.
Las tendencias de publicación muestran amplias oportunidades
¿Cómo está evolucionando la tecnología de almacenamiento de energía térmica y está cerca de su comercialización generalizada? Nuestro análisis de la CAS Content Collection revela no solo un crecimiento precipitado en las publicaciones relacionadas con el almacenamiento de energía térmica, sino también numerosos conceptos relacionados que indican dónde es probable que se produzcan avances.
Hemos observado un crecimiento constante y sostenido tanto en publicaciones de revistas como en patentes durante los últimos 20 años (véase la Figura 1).
El crecimiento ha sido notable desde 2019, y el aumento continuo de patentes demuestra que estas tecnologías están alcanzando la viabilidad comercial.
Profundizamos nuestro análisis mapeando el número de publicaciones en secciones temáticas específicas de la CAS Content Collection, lo que muestra la amplia aplicabilidad del almacenamiento de energía térmica en numerosos campos (ver Figura 2).
Como era de esperar, la mayoría de las publicaciones están relacionadas con la sección temática de CAS sobre tecnología de energía electroquímica, radiativa y térmica, seguida de otras secciones comprensiblemente relacionadas, como operaciones y procesos unitarios, aparatos y termodinámica. La sección temática sobre hormigón y otros materiales de construcción cuenta con muchas publicaciones, que abordan principalmente la incorporación de materiales de cambio de fase (PCM) para mejorar la eficiencia energética de los edificios. El hormigón que contiene PCM absorberá el calor durante el día cuando las temperaturas exteriores son altas, protegiendo el interior de las altas temperaturas, y luego liberará el calor cuando las temperaturas exteriores sean más frescas.
Encontramos un número notable de publicaciones en secciones temáticas relacionadas con la energía, como las aplicaciones en energía eólica y solar para equilibrar la oferta y la demanda. El almacenamiento de energía térmica también puede ayudar a que la energía nuclear pase de su generación de carga base tradicional a ser adaptable a las variaciones de la demanda energética.
El número de publicaciones relacionadas con el agua muestra que el almacenamiento de energía térmica también presenta oportunidades en la desalinización sostenible, durante todo el día y en cualquier condición climática. Al almacenar y proporcionar de forma constante la energía térmica generada a partir de la energía solar, estos sistemas pueden impulsar la evaporación de aguas salinas.
Algunos de los temas más singulares con publicaciones sobre almacenamiento de energía térmica involucran diversos materiales. La sección temática sobre metales no ferrosos y aleaciones tiene un número considerable de publicaciones debido al uso de estos materiales en la construcción de sistemas de almacenamiento de energía térmica, y algunos estudios también informaron sobre su uso como PCM.
Los temas relacionados con la fabricación y elaboración de plásticos también aparecen en numerosas publicaciones, probablemente debido a la variedad de polímeros que contienen composiciones de PCM que resultaron ser efectivos en aplicaciones de almacenamiento de energía térmica. Los textiles y las fibras también ocupan un lugar destacado, donde los materiales de almacenamiento de energía térmica se utilizan para fabricar textiles inteligentes y tejidos termocrómicos.
Las capacidades de almacenamiento de energía térmica de los PCM son incluso útiles para diversas aplicaciones biomédicas , como la terapia fototérmica, la administración dirigida de fármacos y los productos farmacéuticos.
La coocurrencia de conceptos une materiales y usos
Otra forma de evaluar la intersección de ideas y ver dónde pueden tener lugar las innovaciones es examinar la coocurrencia de pares de conceptos. Analizamos estos pares y su crecimiento en los últimos años, abarcando el periodo 2022-2024 (véase la Figura 3).
La Figura 3A muestra los 10 pares de conceptos principales con el mayor crecimiento. Los PCM, los colectores de energía solar y las bombas de calor son algunos de los conceptos que crecieron significativamente. La microencapsulación, una técnica utilizada para aumentar la conductividad térmica y evitar la reactividad de los PCM con los materiales circundantes, destaca debido al elevado número de publicaciones y a la tasa de crecimiento. Esta técnica se ha utilizado para mejorar la eficiencia general de los procesos de almacenamiento de energía térmica.
Redujimos aún más los pares de conceptos de alto crecimiento analizando combinaciones de conceptos de clase de sustancia y conceptos de aplicación/uso/proceso, y los 10 pares de conceptos principales se muestran en la Figura 3B.
Los alcanos, la parafina y los polioxialquilenos se encuentran entre las clases de sustancias de mayor crecimiento en los últimos años. A estos les siguen conceptos como las microcápsulas y los compuestos. Dado que la cera de parafina a menudo se encapsula para formar microcápsulas con el fin de mejorar su estabilidad y ciclabilidad, observamos que estos conceptos tuvieron un alto crecimiento. Los alcanos, otro tema de gran interés, a menudo se combinan con materiales como polímeros, diversas formas de carbono y materiales inorgánicos para mejorar la conductividad térmica, evitar fugas y proporcionar estabilidad química.
La Figura 3C muestra pares de conceptos de alto crecimiento formados por conceptos de clase de sustancia y conceptos de propiedad. Aparte de las sales fundidas, las clases de sustancias de alto crecimiento son similares a las encontradas en la Figura 3B. Las propiedades a menudo asociadas con ellos son los espectros infrarrojos (IR), la estructura superficial, la entalpía, la solidificación y la energía solar.
La relación tensión-deformación de los PCM, como los polioxialquilenos, se estudia a menudo para identificar su integridad estructural y optimizar el rendimiento. Los espectros IR a menudo coocurren con los PCM debido a su uso en el estudio de la estructura química, las transiciones entre fases y la estabilidad térmica de los PCM.
También examinamos la coocurrencia de sustancias y su uso (véase la Figura 4).
El grafito es una de las sustancias más utilizadas en los materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés). Los compuestos que contienen grafito y PCM se utilizan para mejorar el rendimiento del almacenamiento de energía térmica debido a la alta conductividad térmica y la estructura porosa del grafito.
Al igual que el grafito, el cobre, el grafeno y el aluminio también se combinan con PCM para mejorar su conductividad térmica. Los compuestos que contienen polietilenglicol también son uno de los materiales de cambio de fase más documentados. Estas coocurrencias indican qué materiales ya desempeñan un papel clave en el almacenamiento de energía térmica y cuáles podrían merecer una mayor exploración.
Las soluciones de almacenamiento de energía térmica llegan al mercado
Muchas empresas ya están comercializando soluciones de energía térmica en diversas aplicaciones. Como vimos con el crecimiento de las patentes, esto demuestra cómo la tecnología se está volviendo viable. Algunos ejemplos notables incluyen:
- Reducción de picos de demanda: Ice Energy proporciona soluciones de aire acondicionado basadas en energía térmica para evitar el consumo de electricidad cuando los precios son elevados. Sunamp, por su parte, utiliza energía solar o electricidad de la red fuera de las horas punta para alimentar soluciones de agua caliente.
- Energía industrial: Electrified Thermal Solutions fabrica baterías térmicas que almacenan electricidad renovable en forma de calor y, posteriormente, proporcionan un suministro de calor constante de hasta 1800 °C para uso industrial.
- Generación de electricidad: Varias empresas utilizan el calor de la energía solar concentrada para producir vapor, que luego se emplea para generar electricidad. El exceso de calor se almacena mediante sales fundidas para producir electricidad cuando no hay luz solar disponible.
- Calefacción y refrigeración de edificios: Microtek utiliza materiales de cambio de fase (PCM) en materiales de construcción para almacenar y liberar calor dentro de las habitaciones, reduciendo así el consumo de energía.
Otra herramienta en la caja de herramientas
Reducir las emisiones y alcanzar el cero neto manteniendo al mismo tiempo la actividad económica y el confort humano requerirá numerosas soluciones innovadoras. El almacenamiento de energía térmica es una opción valiosa en combinación con la energía renovable y la eficiencia energética. Nuestro análisis de la CAS Content Collection™ muestra que el interés en esta tecnología está creciendo y que los conceptos de investigación están convergiendo en torno a materiales, sustancias y usos importantes. A medida que se introduzcan más innovaciones en el mercado, el almacenamiento de energía térmica se convertirá sin duda en una parte constante de nuestros esfuerzos para mitigar los efectos del cambio climático.
