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Reporte de almacenamiento de la energia termica
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Tema:
Almacenamiento y transporte de energa trmica
Ingeniera Electromecnica
Integrantes:
Castillo Ramrez Jos Roberto
Aragn Moreno Laura Fernanda
Alcantar Ramrez Edgar
Ortiz Barrio Vctor Gabriel
Aragn Venzor Miguel ngel
Maestra: Claudia Lizeth De Los Ros Rentera
Qu es la energa trmica?
La energa trmica interviene en los procesos calorficos que consiste en dos
cuerpos de diferentes temperaturas se ponen en contacto, la energa que se
transmite de cuerpo a cuerpo producto de las diferencias de temperaturas es lo
que se denomina energa trmica.
As mismo, la energa trmica puede ser adquirida a travs de diferentes medios
como: la naturaleza o el sol, reacciones exotrmicas a travs de la combustin
de algn combustible, la reaccin nuclear que puede originarse por la fisin que
es cuando la misma se origina en el ncleo atmico o por la fusin cuando varios
ncleos atmicos presentan una carga similar, se unen para dar lugar a un ncleo
ms pesado con la liberacin de una gran cantidad de energa. La energa trmica se expresa en caloras (Cal) o kilocaloras (Kcal).
La energa trmica se obtiene por una reaccin de fisin o fusin nuclear, a travs
de energa elctrica, por rozamiento (o friccin), con la combustin de diferentes
combustibles o aprovechndose directamente desde la naturaleza o del Sol.
Almacenamiento de Energa Trmica
El almacenamiento pertenecen una serie de tecnologas que almacenan energa trmica (calor), para luego utilizarla cuando sea necesario. La base de estos sistemas consta de la capacidad latente de ciertos materiales de absorber, para luego mantener calor durante el tiempo. Tambin se basan en la reversibilidad de las reacciones termoqumicas. Estos sistemas pueden ser utilizados para balancear la demanda de energa durante el da y la noche. Los depsitos de calor deben de mantenerse a una temperatura mayor o menos a la del ambiente. Estos sistemas son utilizados junto a plantas generadores de energas renovables en pases como Alemania, Espaa, EEUU y Escandinavia. La energa trmica es normalmente acumulada por medio de un colector solar, que enva este calor hacia los depsitos de calor. Esta tecnologa es denominada Energa Solar por Concentracin (CSP) y utiliza elementos pticos en forma de espejos para concentrar la energa solar, convirtindola en energa trmica a temperaturas de entre 300-600C. Esta energa trmica se utiliza para alimentar turbinas, generalmente de vapor o de aire caliente, que producen electricidad.
Refrigeracin solar trmica
La idea de utilizar la energa trmica recibida del sol para refrigerar se recibe casi
siempre con entusiasmo pues en general la demanda de refrigeracin crece con la
temperatura ambiente, y sta a su vez crece con la irradiacin, o sea con la
energa disponible. Dicho de otra forma, en verano se precisa refrigerar ms y es
precisamente cuando hay ms energa solar disponible.
La tecnologa utilizada en estos sistemas, la refrigeracin por absorcin, se basa
en la capacidad de absorber calor de ciertos pares de sustancias, como el agua y
el bromuro de litio o el agua y el amonaco. Su funcionamiento se basa en las
reacciones fsico-qumicas entre un refrigerante y un absorbente, accionadas por
una energa trmica -que en el caso de la energa solar es agua caliente.
Instalaciones solares de este tipo requieren equipos e instalaciones especiales en
las que cada vez hay ms experiencia pero que conviene tener un importante
respaldo tanto en el diseo como en la ejecucin, puesta en marcha y explotacin
de la instalacin.
Nuestra visin de energa trmica
Es conocido que el consumo elctrico mundial, tanto en el sector industrial como
en el residencial, presenta una tendencia al alza desde hace ms de una dcada.
Especficamente en Mxico, en el perodo de 1995 a 2005 el consumo de energa
per cpita de electricidad en el sector residencial aument de 311 a 414 kW-h
anuales por habitante. Este aumento del consumo elctrico en el sector residencial
es producido por una saturacin de los equipos electrodomsticos existentes en
las viviendas del pas.
Es importante saber que en Mxico el 75% de la electricidad se genera a base de
combustibles fsiles utilizados en centrales termoelctricas, las cuales consumen
gas natural, combustleo o carbn, por lo que un aumento en el consumo de
electricidad trae consigo un incremento en la generacin de dixido de carbono y
otros gases contaminantes dainos para el medio ambiente.
No es posible detener dichos incrementos en el consumo elctrico, puesto que
estn directamente vinculados a la calidad de vida de la poblacin, por lo tanto es
necesario realizar investigaciones sobre el uso de energas alternativas que
conlleven a soluciones que permitan reducir los impactos ambientales que se
presentan.
A nivel mundial, han surgido diversas soluciones al problema antes mencionado, entre ellas se encuentra la alternativa solar trmica, la cual aprovecha la energa calorfica del sol que se recibe en forma de radiacin; en la actualidad existen aproximadamente 25 plantas generadoras de energa que utilizan esta tecnologa en pases como Espaa, Estados Unidos, Francia y Alemania ms otras 90 en construccin.
Energa trmica solar
Se entiende por energa solar trmica, a la transformacin de la energa radiante solar en calor o energa trmica. La energa solar trmica se encarga de calentar el agua de forma directa alcanzando temperaturas que oscilan entre los 40y 50 gracias a la utilizacin de paneles solares (siempre temperaturas inferiores a los 80C). El agua caliente queda almacenada para su posterior consumo: calentamiento de agua sanitaria, usos industriales, calefaccin de espacio, calentamiento de piscinas, secaderos, refrigeracin, etc. Por tanto, la energa solar trmica utiliza directamente la energa que recibimos del Sol para calentar un fluido. La diferencia con la energa solar fotovoltaica es que
sta aprovechado las propiedades fsicas de ciertos materiales semiconductores para generar electricidad a partir de la radiacin solar.
En su almacenamiento tenemos que distinguir dos tipos de sistemas:
Sistemas de almacenamiento en medio nico. El medio utilizado para almacenar la energa trmica es el mismo fluido que circula por los colectores solares. La eficacia de este tipo de sistemas es superior al 90%.
Sistemas de almacenamiento en medio dual. El almacenamiento de calor tiene lugar en un medio diferente al fluido de trabajo que se calienta en los colectores solares.
Dispositivos de concentracin
Son los llamados sistemas de "receptor central" La radiacin solar se capta por
medio de un conjunto de espejos curvos (heliostatos), que reflejan la luz del sol
concentrndola en un nico punto o foco. Los espejos siguen el movimiento del sol
durante el da controlndolo mediante programas informticos, ya que el
movimiento del sol vara con la latitud, la poca del ao y el da. El foco funciona
como receptor del calor que lo transfiere al fluido de trabajo (agua, aceite, aire,
sales, etc.) que es el encargado de transmitir el calor a otra parte de la central
termo solar. Generalmente, el calor es transmitido a un depsito de agua, que a
altas temperaturas se evapora, hecho ste que es aprovechado para hacer mover
una turbina.
Los receptores centrales tienen caractersticas positivas: tienen ratios de
concentracin de 300 a 1500, por lo que son altamente eficientes pudiendo operar
a temperaturas entre 500 y 1500C.
Almacenamiento de energa trmica en el subsuelo
Una tecnologa prometedora para reducir el consumo de combustibles fsiles para la produccin de calor
Actualmente casi el 50% de la energa consumida en Europa se utiliza para la generacin de calor, tanto con fines domsticos como industriales. La gran mayora de esta energa es producida mediante combustibles fsiles (RHC, Europea Tecnologa Plataforma, 2011). Por varios motivos ser necesario cambiar esta situacin mediante el mayor uso del calor residual y la aplicacin de fuentes renovables como solar trmica, biomasa y geotermia.
El almacenamiento de energa trmica ser clave para mejorar el aprovechamiento del calor residual de centrales elctricas y tecnologas renovables de produccin de fro y calor. Para evitar el desajuste estacional entre demanda y suministro, el almacenamiento subterrneo de energa trmica (ASET) es una tecnologa muy prometedora. Hay cientos de sistemas en funcionamiento
en Europa para aplicaciones de baja temperatura para el almacenamiento de calor y fro. Para almacenamiento de calor de alta temperatura existen an pocos sistemas en funcionamiento, pero se espera que cambie en la prxima dcada debido al gran inters existente en varios pases por esta aplicacin.
El subsuelo puede ser utilizado para almacenar temporalmente fro o calor. ste posee una alta capacidad calorfica y tambin unas buenas propiedades de aislamiento trmico lo que ofrece la posibilidad de almacenar grandes cantidades de calor y fro durante un largo periodo de tiempo, por ejemplo una estacin climatolgica.
El Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica (ASET, o UTES por sus siglas en ingls, Underground Thermal Energy Storage) crea un gran rango de posibilidades de ahorro energtico y aplicacin de energas renovables, como el almacenamiento de calor procedente de la energa solar en verano para su uso posterior en invierno para calefaccin de espacios. Otro ejemplo es el almacenamiento de fro procedente del aire exterior durante el invierno para ser utilizado en refrigeracin el verano siguiente.
ASET-A: Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica en Acuferos. Aquifer Thermal Energy Storage (ATES).
ASET-B: Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica en Sondeos. Borehole Thermal Energy Storage (BTES).
El tipo de almacenamiento se clasifica segn la temperatura de almacenamiento,
como se muestra en la tabla a continuacin.
La temperatura de almacenamiento depende de la fuente de la energa trmica a almacenar y el uso previsto despus.
El rendimiento de almacenamiento de fro y calor a baja temperatura es, durante una temporada, del 70 al 90%. Si se almacena calor a alta temperatura el rendimiento de almacenamiento baja a medida que sube la temperatura.
Para conseguir las mencionadas eficiencias de almacenamiento se requiere un subsuelo adecuado (estructura geolgica) y un proyecto de una envergadura suficiente. Para el almacenamiento de fro y calor de baja temperatura, se requiere una capacidad de almacenamiento superior a 200 a 300 MWh/ao, para almacenamiento de calor a alta temperatura mayor de 800 a 1000 MWh/ao.
ASET-A, sistema abierto
ASET-B, sistema cerrado
En el caso de Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica en Sondeos
(ASET-B), el calor y/o el fro se almacena en el subsuelo utilizando un
Intercambiador de Calor Terrestre (ICT), que normalmente consiste en una serie
de tubos de polietileno en forma de U (sondas geotrmicas) que se instalan en el
interior de los sondeos o perforaciones. La distancia entre los sondeos depende
del concepto y temperatura de almacenamiento. Para el almacenamiento de calor
a alta temperatura el campo de sondeos es ms compacto con menor distancia
entre sondeos, mientras que para conceptos de almacenamiento a baja
temperatura en combinacin con una bomba de calor geotrmica la distancia entre
sondeos suele ser mayor.
Caldera, mquina para generar energa trmica
La caldera, en la industria, es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado
para generar vapor. Este vapor se genera a travs de una transferencia de
calor a presin constante, en la cual el fluido, originalmente en estado lquido, se
calienta y cambia su fase a vapor saturado.
La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas un set
de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Adems,
es recipiente de presin, por lo cual es construida en
parte con acero laminado a semejanza de muchos
contenedores de gas...
Estanque de acumulacin: es el estanque de
acumulacin y distribucin de vapor.
Planta termoelctrica
Una central termoelctrica es una instalacin empleada en la generacin de
energa elctrica a partir de la energa liberada en forma de calor, normalmente
mediante la combustin de combustibles fsiles como petrleo, gas natural o
carbn. Este calor es empleado por un ciclo termodinmico convencional para
mover un alternador y producir energa elctrica.
En las centrales trmicas se obtiene energa elctrica de la siguiente manera:
El combustible se inyecta a la caldera junto con el aire y all arde produciendo calor (energa qumica pasa a energa calorfica)
El calor evapora el agua que es forzada por una bomba a circular por los tubos de la caldera.
El vapor pasa por la turbina hacindola girar. La energa termo mecnica del vapor produce energa mecnica.
La turbina hace girar al generador, as se transforma la energa mecnica en energa elctrica.
Combustin interna
Cuando un combustible se quema produce energa trmica.
La cmara de combustin es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo
y dentro del cual se desliza un pistn muy ajustado al cilindro. La posicin hacia
dentro y hacia fuera del pistn modifica el volumen que existe entre la cara interior
del pistn y las paredes de la cmara. La cara exterior del pistn est unida por
una biela al cigeal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal
del pistn.
En los motores de varios cilindros, el cigeal tiene una posicin de partida,
llamada espiga de cigeal y conectada a cada eje, con lo que la energa
producida por cada cilindro se aplica al cigeal en un punto determinado de la
rotacin. Los cigeales cuentan con
pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad del
movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.
El equilibrio trmico se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energa al de menor y se igualan. Principio de la conservacin de la energa: la energa no se crea ni se destruye, slo se transforma.
Ventajas y desventajas del uso del almacenamiento de la energa trmica
Ventajas
Son las centrales ms baratas de construir (teniendo en cuenta el precio
por megavatio instalado), especialmente las de carbn, debido a la simplicidad
(comparativamente hablando) de construccin y la energa generada de forma
masiva.
Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho ms baratas
(alcanzan el 50%) que una termoelctrica convencional, aumentando la energa
trmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de
combustible, y rebajando las emisiones citadas ms arriba en un 20%, quedando
as en 0,35 kg de CO2, por kW producido.
La energa trmica se puede aprovechar en un motor trmico;
La tecnologa actual en energa nuclear da lugar a residuos radiactivos que
deben ser controlados. Adems deben tenerse en cuenta la utilizacin de terreno
de las plantas generadoras de energa
Desventajas
El uso de combustibles calientes genera emisiones de gases de efecto y
de lluvia cida a la atmsfera, junto a partculas volantes que pueden
contener metales pesados.
Al ser los combustibles fsiles una fuente de energa finita, su uso est
limitado a la duracin de las reservas y/o su rentabilidad econmica.
Sus emisiones trmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.
Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de
agua caliente en stos.
La obtencin de energa trmica implica un impacto ambiental. La
combustin libera CO2 y otras emisiones contaminantes. y los riesgos de
contaminacin por accidentes en el uso de los materiales implicados, como los
derrames de petrleo o de productos petroqumicos derivados.
El nivel de radiacin flucta de una zona a otra y de una estacin del ao a
otra, en nuestra zona vara un 20% de verano a invierno.
Se debe complementar este mtodo de convertir energa con otros.
Los lugares donde hay mayor radiacin, son lugares desrticos y alejados,
(energa que no se aprovechara para desarrollar actividad agrcola o industrial,
etc.).
Transporte o transferencia de energa trmica
La transferencia de calor es el paso de energa trmica desde un cuerpo de
mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo,
un objeto slido o un fluido, est a una temperatura diferente de la de su entorno u
otro cuerpo, la transferencia de energa trmica, tambin conocida como
transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y
su entorno alcancen equilibrio trmico. La transferencia de calor siempre ocurre
desde un cuerpo ms caliente a uno ms fro.
El equilibrio trmico se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energa al de menor y se igualan.
Principio de la conservacin de la energa: la energa no se crea ni se destruye, slo se transforma.
Mtodos de transferencia
Conduccin: Es la transferencia de calor que se produce a travs de un medio
estacionario -que puede ser un slido- cuando existe una diferencia de
temperatura.
Conveccin: La conveccin es una de las tres formas de transferencia de calor
y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (lquido o gas) que
transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La conveccin se
produce nicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama
conveccin en s, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido,
por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en
una cacerola, la que est en contacto con la parte de abajo de la cacerola se
mueve hacia arriba, mientras que el agua que est en la superficie, desciende,
ocupando el lugar que dej la cacerola caliente.
Radiacin: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrnicas de
los tomos o molculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una
transferencia neta de calor por radiacin entre dos superficies a diferentes
temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten
energa en forma de ondas electromagnticas.
Bibliografa y pginas de referencia
http://imandst.com/es/-solar-termica-electrica
http://imandst.com/es/-refrigeracion-solar-termica
http://web.ing.puc.cl/power/alumno12/almacena/Almacenamiento_Termico.html
http://www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/EnergiaSolarTermica.asp
http://revista.aiim.es/Articulos/22_Almacenamiento%20de%20energ%C3%ADa%20t%C3%A9rmica.aspx
http://www.fenercom.com/pages/pdf/formacion/09-10-2013-Almacenamiento%20de%20Energia%20IV/04-Almacenamiento-Subterraneo-de-Energia-Termica-IFTEC
Incropera, Frank P. (1999). Fundamentos de transferencia de calor. (4a. ed. edicin). Mxico: Prentice Hall. p. 912
http://www.significados.com/energia-termica/
http://curiosidades.batanga.com/2010/09/26/que-es-la-energia-termica
http://www.fing.edu.uy/if/solar/proyectos/mono_JA_Miguez.pdf