Sand Battery/es

▼Grupo de Investigación de Tecnología de Sostenibilidad Apropiada y Gratuita (FAST) de la Universidad de Western

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Tecnología de baterías de arena: una solución prometedora para el almacenamiento de energía renovable ^{[ 1 ]}

• Arena: abundante, económica, disponible, no tóxica
• Electrodos a base de arena → almacenan y liberan energía
• Uso en sistemas residenciales a pequeña escala hasta almacenamiento a gran escala a nivel de red.
• Adv:
  • Alta densidad energética
  • Ciclo de vida largo
  • estabilidad del ciclo
  • Seguridad
  • Potencial de almacenamiento de energía renovable
• Electrodos a base de arena → potencial en baterías de iones de litio y supercondensadores
• Tecnologías de almacenamiento de energía basadas en arena:
  • Almacenamiento de energía térmica.
  • Almacenamiento de energía mecánica.
  • Almacenamiento electroquímico de energía.
• Materiales necesarios:
  • Arena
    • medio de almacenamiento
    • debe tener una alta conductividad térmica
    • baja masa térmica
    • resistir altas temperaturas
  • Generadores termoeléctricos
    • Aprovechamiento de la energía térmica de la arena para la generación de energía eléctrica (descarga: para la generación de electricidad, la industria energética y la calefacción de espacios).
    • Selección: temperatura de cambio de fase y capacidad de almacenamiento de energía.
  • Electrodos/Bobina calefactora
    • Transferencia de energía térmica entre la arena y el generador termoeléctrico
    • láminas de grafito o metal
  • Aislamiento
    • Reducir la pérdida de calor en la carga y descarga
    • Mejora la eficiencia
  • Fuente de calor:
    • cargar la batería y calentar la arena
    • Puede ser energía solar, calor residual industrial, energía térmica renovable o no renovable.
  • Recipiente
    • Lo guarda todo
    • Resistir altas temperaturas y tensiones térmicas.
• Diseño → basado en la cantidad de energía térmica requerida y la duración del almacenamiento
• Generación y almacenamiento de energía:
  • energía eólica/solar → electricidad
  • 30%-->energizar inmediatamente la infraestructura local
  • 70%-->almacenar en una batería de arena y calentar a 600-1000°C
  • menor radiación solar → usar la energía almacenada
• Cargar:
  • Calentar la arena → aumentar la temperatura → hasta el umbral → energía máxima
  • Tipo de arena y fuente de calor → diferente tiempo de carga
• Descargar:
  • arena--> exponer a un disipador de calor o dispositivo que extraiga el calor
  • La disminución de la temperatura de la arena produce una liberación de energía en forma de calor.
  • Tipo de arena y temperatura del disipador de calor → diferente tiempo de descarga
• Tipo de batería de arena:
  • Almacenamiento indirecto de calor:
    • fluido de transferencia de calor (transfiere calor hacia y desde la arena)
    • funcionamiento a temperatura más alta
    • gran huella física
  • Almacenamiento directo de calor
    • Contacto directo con la fuente de calor y el disipador de calor
    • funcionamiento a bajas temperaturas
    • compacto
  • Almacenamiento de calor termoquímico
    • reacción química
    • almacenar más energía
    • mayor tiempo de carga y descarga
  • Almacenamiento de calor híbrido
  • Combinación de métodos directos e indirectos
  • mayor densidad de energía
  • Carga y descarga más rápidas
• Solicitud
  • Almacenamiento renovable
  • Calor y frío
  • Energía de respaldo de emergencia
• desafíos
  • La eficiencia depende del material, el diseño y las condiciones de funcionamiento.
  • temperatura de funcionamiento
  • aumentar proporcionalmente

Batería de arena: una solución innovadora para el almacenamiento de energía renovable (una revisión) ^{[ 2 ]}

• Emiratos Árabes Unidos aspira a utilizar el 7% de su energía de fuentes renovables (específicamente solar), pero esto representa un desafío debido a la arena de los desiertos del país.
• Composición de la arena: dióxido de silicio
• Zonas con temperaturas bajo cero --> El almacenamiento térmico/energético solar basado en lechos de arena resulta prometedor.
• TE a base de arena seca --> Alta temperatura y alta energía --> puede utilizarse en la infraestructura de instalaciones como aparcamientos
• Materiales obtenibles: arena y rocas
• Estructuras de almacenamiento cíclico instaladas: Alemania, Canadá, Turquía, Corea, Países Bajos, Estados Unidos, Finlandia, Francia y Suiza.
• Arena: almacenamiento hasta 1000 °C, sin pérdida de masa, costes de propiedad y mantenimiento reducidos, tasas de intercambio de energía mejoradas y estables.
• Medio de arena: en una sola cuenca solar--> aumenta la media anual de la producción diaria en un 23,8% (en comparación con no usar arena), retiene la energía térmica durante un tiempo prolongado y puede utilizarse durante el invierno (cuando no hay energía solar disponible).
• Principio:
  • 30% de la energía renovable utilizada, 70% almacenada en arena --> aumentar la temperatura a 600-1000
• Componente de la batería:
  • revestimiento de acero--> tuberías de transmisión de arena y calor
  • Externo--> mecanismos mecánicos, reguladores, intercambiadores de calor, ventilador
• Operación:
  • Cargar
  • Almacenamiento
  • Descargar
• Mecanismo:
  • Circulación de aire caliente alrededor de la arena --> Las energías renovables controlan un calentador eléctrico de resistencia para aumentar la temperatura del aire cerca de la arena
  • Tubo de intercambio de calor junto a un ventilador
  • Aislamiento denso --> cubierta --> mantener la temperatura
  • Descarga: soplar aire frío → se calienta → puede generar vapor de agua
  • TABLA COMPARATIVA DE DIFERENTES SISTEMAS TES DISPONIBLE
• Desventaja:
  • Rango de temperatura limitado (300-1000)
  • Carga lenta
  • Baja densidad de potencia
  • Uso del suelo
  • Transporte
• Reciente:
  • Optimizar el tamaño y la distribución de las partículas
• Solicitud
  • almacenamiento a nivel de cuadrícula
  • dispositivos portátiles
  • sistemas de energía fuera de la red
  • calefacción industrial
  • Calefacción del edificio
  • calefacción urbana
  • agricultura
  • sistemas mineros

Usos de la arena en tecnologías termosolares ^{[ 3 ]}

• Partículas de roca o mineral → sílice (cuarzo), feldespato, carbonatos, micas, anfíboles, piroxenos → de 0,06 a 2 mm de diámetro
• 6% de la superficie terrestre (6% de la superficie terrestre de la Tierra en diferentes regiones)
  • 2% Norteamérica
  • más del 30% de Australia
  • Más del 45% de Asia Central
• Entre 11 y 58 dólares por tonelada métrica
• Capacidades caloríficas específicas: entre 700 y 1000 J/kg°C
• La conductividad térmica depende de la porosidad, la granularidad, el contenido de humedad y la mineralogía.
  • Menos poroso → Mayor conductividad térmica
  • Partículas más pequeñas → menor conductividad térmica
  • saturado de agua --> mayor conductividad térmica
  • Conductividad térmica del cuarzo: 7,7 W/mK
  • Conductividades térmicas de otros componentes de la arena: de 2,5 a 3,6 W/mK
• No tóxico, no corrosivo y no inflamable
• Arena en energía solar
  • Almacenamiento de energía térmica
  • Absorción solar
  • Transferencia de calor
  • aislamiento térmico adecuado
  • gran superficie → evaporación del agua como medio de evaporación
• Destilación solar
  • Radiación solar → obtención de agua dulce a partir de agua impura
  • Limitación: bajo rendimiento durante el día y nulo por la noche.
  • con arena
    • Rellene el área debajo del revestimiento del lavabo, el propio lavabo /utilizando recipientes como cajas metálicas, bolsas de algodón o macetas de barro.
    • mantener temperaturas más altas
    • aumentar la superficie de evaporación mediante acción capilar
    • Arena fina y uniforme mejor, arena negra mejor, espesor mínimo mejor, sin agua por encima
• Calefacción solar
  • Colectores solares térmicos + medios de almacenamiento de energía térmica
  • Alto contenido de cuarzo, baja porosidad y alto contenido de humedad
  • Arena seca con bajo contenido de cuarzo
• Almacenamiento de energía térmica en tanques
  • Agua: alta capacidad calorífica específica, pero con pérdidas de calor. Los tanques se rodean de arenas de baja conductividad térmica. Suelo arenoso: menor capacidad calorífica y conductividad térmica, lo que resulta en menores pérdidas de calor de los tanques en comparación con el suelo granítico.
  • Requerir
    • Baja capacidad calorífica específica y conductividad térmica
    • Seco
    • profundidad suficiente
• Almacenamiento de energía térmica en acuíferos (ATES)
  • contienen capas de arena porosas y permeables
  • Agua caliente en verano → inyección en el acuífero → calentamiento del suelo y del agua existente → extracción del calor en invierno; por ejemplo, una recuperación del 72 % en la formación Gassum de Dinamarca.
  • Requerir
    • Alta capacidad calorífica y conductividad térmica
    • Alta porosidad y permeabilidad
• Almacenamiento de energía térmica en perforaciones (BTES)
  • Calentar al suelo mediante intercambiadores de calor de tubería en U en verano --> extraer en invierno
  • Arena de bajo contenido de cuarzo y alta porosidad --> buena opción sobre bentonita o grava
  • 50% más de calor durante un 50% más de tiempo en comparación con la grava --> 78% de eficiencia
  • Bélgica: eficiencia de almacenamiento anual del 70%
  • Requerir
    • alta conductividad térmica y capacidad de almacenamiento de calor
• Almacenamiento de energía térmica en lecho fijo
  • utilizar arena compactada en fosas aisladas
  • Ahorros del 64% al 91%
  • Entre el 65% y el 75% de las necesidades de agua caliente sanitaria
  • Finlandia
  • Arena --> se llena en contenedores o fosas, el fluido de transferencia de calor fluye a través del lecho --> Transferencia de calor en baja demanda (verano) y extracción en alta demanda
  • Requerir
    • alta conductividad térmica y capacidad calorífica específica
• Mejora del invernadero solar
  • Muros de almacenamiento térmico (muros Trombe) --> aumentan las temperaturas del aire y del suelo en invernaderos
  • Compuesto de: superficie ennegrecida (absorbe la radiación solar, transfiriendo el calor a la arena), arena y aislamiento
  • Invernaderos con paredes de almacenamiento térmico de arena
    • Temperatura del aire diurna: aumento de 6,4 °C por encima de la temperatura ambiente; temperatura nocturna: aumento de 1,1 °C.
    • Temperatura del suelo → profundidad de hasta 8 cm → aumento de 6,4 °C durante el día y de 4 °C durante la noche
    • floración más temprana (14 días antes), maduración más temprana (20 días antes) y mayores rendimientos (un 33,4% más).
• Secadores solares
  • radiación solar → productos agrícolas o alimenticios secos
  • cuarzo, arena, grava, minerales del suelo, arenisca, rocas, piedra caliza, granito, tierra, arcilla, restos de hormigón, ladrillos refractarios y agua
  • arena:
    • En la cámara de secado y el calentador solar de aire, se reduce el tiempo de secado y se evita la reabsorción de humedad durante la noche.
    • aumentar la superficie y la rugosidad del absorbedor
    • arena fina pintada de negro y alta capacidad calorífica específica y conductividad térmica
• Cocina solar
• Energía solar concentrada (CSP)
  • Ejecutar un bloque de alimentación
• ¿Qué arena?
  • Impurezas en el cuarzo (deben ser inferiores al 2%) → menor densidad energética
  • Arcillas, carbonatos y feldespatos → aglomeración, degradación / reducción de la capacidad calorífica específica
    • Arcillas --> mayor aglomeración a 600 °C
    • Carbonatos → descarbonatación por debajo de 800 °C → pérdida de masa y alteración de la distribución del tamaño de grano
    • Feldespatos --> vitrificación por debajo de 1200°C --> aglomeración --> impacto en el movimiento de la arena.
  • Se requieren velocidades de enfriamiento moderadas de aproximadamente 573 °C.
  • Por debajo de 1200 °C → cuarzo a cristobalita → fisuración del grano
• gasificación solar
  • Gasificación: materiales carbonosos (como coque, carbón, biomasa) → combustibles o productos químicos
  • Métodos convencionales: combustión de algunas de estas materias primas → generación de calor para la gasificación → pérdida de material y emisión de CO2
  • Energía solar: calienta el material (sin necesidad de quemarlo). El cuarzo recibe, transfiere y almacena calor, y es inerte (no reacciona con los materiales), lo que resulta en una mayor calidad del combustible y menores emisiones de carbono.
  • Mezclar los materiales carbonosos con cuarzo → la radiación solar es absorbida y el calor se transfiere a través de la arena → elevando la temperatura (1100 °C) → descomposición térmica de los materiales carbonosos → producción de gas de síntesis
  • requerir:
    • Alta capacidad calorífica específica y conductividad térmica
  • Almacenamiento de energía mediante aire comprimido adiabático
    • Convencional: El exceso de electricidad comprime el aire --> se almacena bajo tierra --> se requiere gas natural para recalentarlo cuando sea necesario.
    • En la arena: el calor generado durante la compresión se almacena y se recalienta cuando la arena lo requiere.
      • Carga: Aire caliente → a través de un intercambiador de calor → flujo de arena en la dirección opuesta → arena caliente, aire comprimido frío
      • Descarga: aire comprimido frío → a través de un intercambiador de calor → arena caliente para elevar la temperatura del aire
      • Eficiencia del ciclo eléctrico: 69%
      • Alta conductividad térmica y capacidad calorífica específica
• Paneles solares fotovoltaicos/térmicos
  • FV → pequeña fracción de radiación convertida en electricidad → exceso convertido en calor → daños
  • Se puede almacenar en arena --> Enfría los paneles y evita el sobrecalentamiento
  • Ejemplo: arena del desierto y materiales de cambio de fase (p. ej., n-octacosano) → La arena del desierto presenta una mejor transferencia de calor.
  • más adecuado: alta conductividad térmica y capacidad calorífica específica
• Estanques solares:
  • solicitud:
    • Calor de proceso industrial
    • Desalinización
    • Calefacción de espacios
    • Generación de energía
    • Calefacción de invernadero
    • Producción de sal
  • Zona superior: agua de baja salinidad → aislante
  • Zona intermedia (zona no convectiva o haloclina) → gradiente de salinidad creciente con la profundidad → gradiente de densidad → impide la formación de corrientes de convección → atrapa el calor en la capa inferior
  • Zona inferior: agua de alta salinidad → Almacena calor solar → Temperatura de hasta 85 °C (185 °F) o superior
  • Al encapsular arena en el fondo y alrededor de la capa inferior, se reducen las pérdidas de calor (69 %) y se almacena energía termoeléctrica.
  • arena de alta conductividad térmica y capacidad calorífica específica
• Refrigeradores que funcionan con energía solar:
  • dos cilindros metálicos --> espacio intermedio lleno de arena saturada de agua
  • Energía solar → evaporación para refrigeración → eficaz, accesible y sostenible
• Recomendación para identificar lagunas en la investigación:
• Recubrimientos para arena de cuarzo: mejoran la absorción, la resistencia al desgaste mecánico y a altas temperaturas de hasta 1000 °C.

  

Análisis comparativo mediante CFD de materiales de almacenamiento de energía térmica en paneles fotovoltaicos/térmicos ^{[ 5 ]}

• Arena del desierto (abundante, resistente a la aglomeración, soporta altas temperaturas) y carburo de silicio → transferencia de calor mejorada
• Este estudio: tubería de cobre que contiene un flujo de agua en un material de cambio de fase (PCM) rectangular expuesto a la radiación solar, capa absorbente adicional
• bajo diferentes niveles de irradiancia solar (que oscilan entre 150 y 1200 W/m2)
• Arena del desierto: la temperatura del líquido en el límite de salida y la temperatura máxima de la matriz del sistema de almacenamiento térmico son más cercanas, lo que mejora la transferencia de calor.
• Relación entre la fracción sólida del PCM y la irradiancia solar:
• La arena del desierto retiene el calor durante más de 4500 segundos después de que se interrumpa el flujo de calor.
• El n-octacosano retiene el calor durante períodos más prolongados, almacenando y liberando calor de forma continua, lo que resulta más adecuado cuando se requiere liberación de calor durante la noche.

Almacenamiento de energía electrotérmica rentable para equilibrar sistemas de energía renovable a pequeña escala ^{[ 6 ]}

• Se asume una conversión del 100% de la electricidad en calor.
• Cantidad de electricidad (P) necesaria para cargar el almacenamiento de energía: P=mCp​ΔT​/t
  • m: masa del material de almacenamiento térmico
  • Cp: ​​capacidad calorífica específica media
  • ΔT: diferencia de temperatura durante la carga
  • t: tiempo empleado
• Conversión térmica a eléctrica = ηth*eficiencia (eficiencia en arena ~85%)
• Tasa de calor = Potencia de salida / Eficiencia térmica a eléctrica
• Tiempo para que la temperatura disminuya = Energía almacenada / Tasa de calor

Evaluación del rendimiento de una unidad de almacenamiento de energía en arena mediante la metodología de superficie de respuesta ^{[ 7 ]}

• Consumo energético anual: ~624.430 TWh
• Huella de carbono procedente de combustibles fósiles: 36.700 millones de toneladas
• Demanda de energía renovable en 2019: 6890,7 TWh
• Se prevé un aumento de 2.493 TWh entre 2022 y 2025.
• Tipos de sistemas TES:
  • Almacenamiento de calor sensible: sencillo y económico.
  • Almacenamiento de calor latente: materiales de cambio de fase.
  • Almacenamiento termoeléctrico: conversión entre energía térmica y eléctrica.
  • Medios de almacenamiento:
    • rocas, agua, petróleo, sal
    • Sal: Debe estar a menos de 600 °C
    • Ladrillos de hormigón: durante el día, a menos de 500 °C, las variaciones de temperatura durante la descarga reducen la eficacia del ciclo.
    • ARENA:
      • Alta capacidad térmica
      • Alta conductividad térmica
      • rentable
      • Estabilidad a largo plazo
      • No tóxico y respetuoso con el medio ambiente
      • Alta temperatura
      • Tamaño óptimo para la transferencia de calor: 2–3 mm (mayor: reducción de la eficacia de la transferencia de calor; menor: aumento de la caída de presión → mayor volumen del intercambiador de calor).
• Esta investigación:
  • bobina helicoidal de cobre insertada dentro de un tanque cilíndrico
  • Fluido de entrada caliente --> hacia la serpentina a temperaturas de hasta 200 °C
  • Medición de la conductividad térmica: Dispositivo KD2 Pro Decagon con sensor de aguja única TR1 a 25 °C.
  • Medición de la capacidad calorífica específica: DSC-25, rango de temperatura 25–200 °C
  • Medición de gravedad específica: 1 kg de arena de desierto y playa, secada a masa constante (a 110 ± 5 °C) y luego se agrega un 6 % de humedad --> se seca durante 15-19 h.
• Resultados experimentales:
  • fluorescencia de rayos X
    • Arena del desierto: 13 elementos, calcio 60,96%.
    • Arena de playa: 11 elementos, calcio 86,9%.
  • capacidad calorífica específica
    • aumenta con la temperatura
    • Cp para el desierto-->más alto
    • Deshidratación del hidróxido de calcio formado tras el tratamiento térmico a 200 °C
  • Densidad
    • Arena de playa: más densa
  • Escenario para la simulación:
    • Aceite caliente → a 100 °C y una velocidad de 0,01 m/s → transferencia de calor a la arena a 25 °C; disminución de la temperatura del aceite → aumento de la temperatura de la arena y de la energía almacenada
    • Cambio de temperatura del aceite --> aumenta la temperatura de la arena y la energía térmica almacenada
    • El aumento de la velocidad del aceite y del número de espiras de la bobina incrementa la energía almacenada.
    • Energía total almacenada por kg de arena-->6,348 kJ/kg después de una carga de 8 h.
    • Caída de presión --> 71,4 Pa
    • Conductividad térmica de la arena del desierto: un 1,77% superior a la de la arena de playa.
    • La resistividad térmica de la arena de playa es un 29,3 % mayor que la de la arena del desierto.

Mejora de la conductividad térmica efectiva del lecho de arena en sistemas de almacenamiento de energía térmica ^{[ 8 ]}

• Introducción:
  • TES--> sustituto de las baterías de iones de litio en el almacenamiento estacionario de la red eléctrica
  • Arena--> alta tolerancia térmica (punto de fusión alrededor de 1700°C)
  • Amplio rango de temperatura → Mayor eficiencia del ciclo de Carnot
  • arena Alta capacidad calorífica específica --> alta densidad energética PERO forma granular y contacto puntual entre granos --> baja conductividad térmica
  • Recubrimiento de arena de cuarzo --> mejora la absorción solar y la estabilidad térmica, e incrementa la eficiencia de almacenamiento de energía entre un 60 % y un 80 % en comparación con la arena sin tratar.
  • La conductividad térmica de la arena bentonítica aumenta al añadir polvo de granito.
  • Métodos comunes-->Calentamiento solar directo y calentamiento por fluidización (circulación de fluidos de transferencia de calor a través de intercambiadores de calor en lechos rellenos de arena)
  • Mezclar diferentes materiales de almacenamiento de calor mejora las propiedades de almacenamiento.
  • Flujos de materiales de desecho → opción de materiales económicos
    • Corte de chatarra metálica en talleres metalúrgicos --> economía circular
• Esta investigación:
  • Contenedor rectangular de aluminio (altura 380 mm, longitud 230 mm, ancho 380 mm) --> investigar las propiedades térmicas del lecho de arena
  • Dos resistencias tubulares (298 mm de altura, 309 mm de ancho, 50 mm de diámetro) → separadas 95 mm en el centro de la caja → Caja de control de encendido/apagado de 2 kW y regulación de temperatura hasta 1000 °C
  • Termopares tipo K --> entre calentadores (a 45 ±0,7 mm de cada calentador) y a 30 mm de los calentadores
  • Lecho de arena expuesto al aire (temperatura inferior a 26 °C) sin aislamiento
  • Combinación de arena y subproductos metálicos (mejora la conductividad térmica)
    • Sílice marrón: sílice (SiO2), tamaño de grano de 0,06 a 0,2 mm, punto de fusión 1713 °C, capacidad calorífica específica 703 J/(kg⋅K), conductividad térmica de 0,2 a 0,7 W/(m⋅K), densidad aparente 1800 kg/m³
    • Aluminio: de 15 a 20 mm de largo, 0,5 mm de espesor, 1,5 mm de ancho, punto de fusión 660 °C, calor específico 897 J/(kg⋅K), conductividad térmica 205 W/(m⋅K), densidad 2712 kg/m³
    • Latón: diámetro 0,25 mm, longitud 4,5 mm, temperatura de fusión de 900 a 940 °C, calor específico 380 J/(kg⋅K), conductividad térmica 113 W/(m⋅K), densidad de 8430 a 8730 kg/m³
    • Virutas de metal mixto: 90 % acero, 10 % aluminio / longitud 10-15 mm, espesor 0,5 mm, ancho 1,5 mm / Tm: 1370-1540 °C / calor específico 490 J/(kg⋅K) / conductividad térmica 50-70 W/(m⋅K) (varía según la aleación) / densidad: 7850 kg/m³
  • T4: entre la pared y el calefactor eléctrico / T3: entre dos calefactores eléctricos
  • La temperatura superficial alcanza los 500 °C en 30 minutos
  • T4: se calienta más rápido que T3 durante los primeros 75 min (17,5 mm más cerca de la fuente de calor) y la temperatura se mantiene constante a 350 °C después de 3 h, con un rápido descenso de la temperatura en las zonas exteriores a los elementos calefactores.
  • T3: más caliente que T4 después de 80 min, iguala la temperatura superficial de los calentadores después de 7 h y presenta menor pérdida de calor al ambiente y menor atrapamiento térmico/baja conductividad térmica, alta capacidad calorífica de la arena --> Retraso terminal en T3
  • Conductividad de la arena: 0,114 W/(m⋅K)
  • Tiempo de carga simulado: cinco horas
  • Capa de latón y arena: mayor conductividad térmica efectiva / mayor densidad y estructura menos porosa → menor conductividad térmica que el aluminio
  • Virutas de aluminio:
    • Más eficaz en mezclas uniformes: alta conductividad térmica
    • 20% de aluminio: tasa de calor 1,7 veces mayor que la arena pura y aumenta la temperatura T4 estable --> mayor conductividad térmica efectiva
    • Las tasas de calentamiento del aluminio al 10 % y al 5 % son 1,36 y 1,18 veces mayores que las de la arena pura, respectivamente.
    • Mayor contenido de aluminio: mayor percolación y más interconexiones → facilitan la transferencia de calor
    • Menor concentración de chips: aislamiento de los chips, menor número de rutas conductoras y menor conductividad térmica.
    • Mejora el gradiente de temperatura general del lecho de arena
  • Virutas de metales mixtos → menor rendimiento: mayor contenido de acero (menor conductividad térmica)
  • Temperatura exterior a los termopares: compuesto metálico → Temperatura superior a la de la arena pura
  • Virutas metálicas: fácil transmisión del calor → mayor capacidad de almacenamiento
  • Precios de chatarra comercial en Finlandia: Aluminio: 0,7; Latón: 3,1; Acero inoxidable: 0,7.

De residuo a valor: Utilización de arena de fundición residual en el almacenamiento de energía térmica como material matriz en materiales compuestos ^{[ 9 ]}

• Introducción:
  • Arena de fundición residual (WFS), subproducto de los procesos de fundición de metales.
  • Características del WFS: composición cerámica, densidad, tamaño de partícula (0,15 mm < D < 0,6 mm), superficie específica
  • Vía de reciclaje de WFS: material clave para que los materiales compuestos de cambio de fase capturen, almacenen y reutilicen el calor residual.
• Esta investigación:
  • Materiales:
    • NaNO3, materiales naturales que incluyen arcilla, totalmente reciclable, bentonita en forma sódica, arena de fundición de desecho (material de matriz CPCM, componente predominante: SiO2 al 87,91 %, componentes secundarios: Al2O3 al 4,7 %, Fe2O3 al 0,94 %), aditivo X (?)
  • Fabricación:
    • Trituración con mortero y mano (85–95% de distribución de tamaño de grano uniforme entre 0,6 mm y 0,15 mm)
    • Mezcla para remover a mano
    • Dar forma a gránulos de 13 mm bajo una presión de 60 MPa durante 2 minutos
    • Sinterización a 400 °C, 5 °C/min en alta temperatura
    • Enfriar a temperatura ambiente para una estructura estable.
  • Cohesión deficiente con una relación de masas 70–30 (WFS-sal) --> inestabilidad
  • X aditiva (?):
    • Las propiedades tixotrópicas forman una matriz tipo gel con agua, mejorando así la unión de las partículas WFS.
    • Aumenta la resistencia del CPCM a las tensiones durante el proceso de cambio de fase.
  • Pruebas:
    • Densidad de los granos de arena: picnómetro de helio, 2,51 ± 0,06 g/cm³
    • Densidad aparente: Masa y volumen (dimensiones) de los gránulos individuales; porosidad deducida de la relación de densidades.
    • Calor latente, punto de fusión, capacidad calorífica específica: DSC: Rango de temperatura: 20 a 400 °C, velocidad de calentamiento: 10 °C/min, crisoles de aluminio, ambiente de aire ambiente, caudal de gas: 100 ml/min, método del zafiro para la capacidad calorífica específica.
    • Conductividad y difusividad térmica: Técnica de destello láser, superficies de muestra niveladas, recubrimiento con pulverización de grafito. Ajuste del flujo de aire: 100 ml/min. Fórmula de conductividad térmica: λ = a(T)ρ(T)Cp(T).
    • Análisis termogravimétrico (TGA): Peso de la muestra: ~10 mg, crisol de platino, rango de temperatura: 25 a 500 °C, velocidad de calentamiento: 10 °C/min, aire ambiente
    • Microestructura y distribución del tamaño de poro: nano-CT de rayos X, muestras cilíndricas: φ 2 × 15 mm, voltaje: 95 kV, corriente: 150 μA, resolución de píxeles: 9,5 μm, imágenes de proyección a intervalos de 0,1°, rotación de 180°, análisis de datos: software Recon, software CTan
    • Coeficiente de dilatación térmica: Dilatómetro óptico, muestras cilíndricas: ~13 mm de diámetro, calentamiento: de temperatura ambiente a 500 °C, velocidad: 5 K/min, en aire.
    • resistencia a la compresión
    • Protocolo de ciclado térmico: Aumento de temperatura a 400 °C, mantener durante 30 minutos; disminución de temperatura a 270 °C, mantener durante 10 minutos; total de 48 ciclos. Evaluación de la resiliencia estructural y la eficacia térmica de los CPCM de sal WFS.
    • ..... (discusión)
    • Densidad de almacenamiento de energía: 628 ± 27 kJ/kg para Na60, 567 ± 43 kJ/kg para Na55
    • Conductividad térmica media: un 24 % superior para Na60 (1,38 W/mK) que para Na55 (1,08 W/mK), debido a la mayor porosidad de Na55.
    • Resistencia a la compresión: 141 MPa para Na60, 105 MPa para Na55, influenciada por la porosidad y el tamaño de los poros.
    • Una mayor porosidad resulta beneficiosa para el coeficiente de expansión térmica del CPCM.

Batería de arena para almacenamiento de calor ^{[ 10 ]}

• La arena del desierto puede almacenar energía térmica hasta 1000 ℃
• 400 ℃ más alta que la sal fundida
• Sal fundida:
  • mantenimiento para evitar obstrucciones
  • Se necesita calor externo para mantener la temperatura por encima de 260 °C.
  • 28.000 toneladas --> para 7,5 horas de almacenamiento
  • 25,2 millones de dólares para medios de almacenamiento
• Esta investigación:
  • Calentador eléctrico elegido como entrada de calor
  • Calentamiento mediante calentador --> al intercambiador de calor a través de un fluido de transferencia de calor (aceite)
  • Aceite --> en un tanque de aceite, bombeado a través de tuberías al intercambiador de calor
  • Sensores de temperatura → controlan el cambio de temperatura de la arena
  • Carga: Arena calentada a la temperatura deseada (150 °C)
  • Almacenamiento: retención de energía térmica de la arena a lo largo del tiempo
  • Descarga:
    • Aceite frío → a través de tuberías para absorber el calor de la arena
    • Generador termoeléctrico → energía térmica en energía eléctrica

¿Qué es una «batería de arena»? ^{[ 11 ]}

• Primera batería comercial de arena: En Kankaanpää, Finlandia occidental (temperatura máxima: 600 ℃, aunque puede ser superior)--> integrada en una red de calefacción urbana operada por Vatajankoski (proveedor de energía verde).
  • En edificios residenciales y comerciales (viviendas y piscinas)
• Estructura:
  • Silo aislado con carcasa de acero relleno de arena y tuberías de transferencia de calor.
  • Componentes de automatización, válvulas, un ventilador e intercambiador de calor o generador de vapor.
• Calefacción:
  • Electricidad procedente de la red o de producción local a partir de energía eólica y solar.
  • Se carga durante períodos de disponibilidad de electricidad limpia y barata.
  • Energía eléctrica → calienta el aire con resistencias eléctricas → a través de un circuito cerrado de tuberías de aire → lo hace circular por tuberías de transferencia de calor → para almacenarlo
• Extracción:
  • Soplar aire frío a través de las tuberías → calentar
  • Se utiliza para convertir agua en vapor de proceso / agua caliente para calefacción urbana en un intercambiador de calor aire-agua.
• Se mantiene caliente durante meses, generalmente se carga y descarga en ciclos de 2 semanas.
• Óptimo rango de uso con un ciclo de carga y descarga de 20 a 200 veces al año.
• En "Energía de la noche polar":
  • 600 °C, 10 GWh, 100 MW
  • El 36% de la demanda de calefacción industrial puede ser cubierta por baterías de arena (actualmente depende del petróleo y el gas).
  • Se podrían ahorrar 100 millones de toneladas anuales de monóxido de carbono en 2030.
  • puede suministrar energía a unas 10.000 personas
• El 30% de la energía solar/eólica se utiliza directamente, el 70% se almacena como calor, y se necesita menos del 10% de energía externa para todo el año.

Cambio climático: la «batería de arena» podría resolver el gran problema de la energía verde ^{[ 12 ]}

• Finlandia tiene una larga frontera con Rusia y sufrió la interrupción del suministro de gas y electricidad debido a su ingreso en la OTAN. --> Preocupación por las fuentes de calor y luz durante los largos y fríos inviernos.
• Primera batería de arena totalmente funcional del mundo instalada por investigadores finlandeses-->desarrollada por "Polar Night Energy"
• Central eléctrica en el oeste de Finlandia --> 100 toneladas de arena dentro de un silo gris
• Dificultad para convertir eficientemente el calor almacenado de nuevo en electricidad.

Batería de arena para almacenamiento térmico ^{[ 13 ]}

• Batsand: Batería térmica con generador de calor y depósito de arena.
• Llevar arena caliente y fresca directamente a casa
• Carga (con paneles solares) en verano → calefacción/refrigeración cuando sea necesario
• Potencial de recuperar la inversión en 4-6 años
• Se puede combinar con un panel solar → Permite la desconexión de la red eléctrica
  • Potencia nominal: 1: 14 kW, 2: 25 kW
  • Capacidad de la batería: 1: 12000 kWh, 2: 21000 kWh
  • Tamaño de vivienda adecuado: 1: 300-600 m², 2: 500-1200 m²
  • Tamaño: 1: 140 cm x 72 cm x 55 cm, 2: 185 cm x 85 cm x 72 cm
  • Peso: 1: 142 kg, 2: 174 kg

Cómo una batería de arena podría revolucionar el almacenamiento de energía doméstica ^{[ 14 ]}

• Universidad de Michigan: 30% del consumo energético residencial total de EE. UU. --> dedicado a calefacción (calentamiento de agua: 13%).
• Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de EE. UU.: 1/5 de la energía producida en EE. UU. se destina a la carga térmica de los edificios.
• Comunidad solar DraKE aterrizando-->2012: 96%, 2015, 2016: 100% de su calefacción anual a partir de energía solar
• TES: buena eficiencia de ida y vuelta (RTE) (% de electricidad almacenada) → 100 % RTE: toda la energía almacenada puede utilizarse; termodinámicamente imposible.
• plomo-ácido: 70%, iones de litio: 90%
• Arena: bajo calor específico, alta densidad: gran capacidad de almacenamiento térmico, sin reacciones químicas: no requiere mantenimiento, resistente a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua.
• Calentar la arena con energía solar → trasladarla a casa con aire
• Desafío: tamaño --> El sistema Batsand (con un costo de $7700, que aumenta a $19000 con la instalación, almacena energía con una eficiencia del 92% y un RTE del 94%) es de tamaño reducido (40 m³), ​​subterráneo --> edificio de 300-400 m², 10680 kW/h con +30 kW de energía solar
• Solución Energética Newton (NES) ($5300-6400, 95% RTE) → entre el sistema de almacenamiento térmico (TES), el calentador de agua y el depósito de inercia → el calentador de agua ya es un TES (pero no puede convertir el calor en electricidad). Volumen de agua de 590 mm x 1650 mm (214 L) → 20 kWh (puede calentar 600 L de agua del grifo a 40 °C y 320 L a 29 kWh).
• La eficiencia disminuye al 50-70% cuando se convierte calor en electricidad.

Calentador de baterías de arena casero. Más de 285 °C, fácil de hacer ^{[ 15 ]}

• Equipo:
  • bañera de acero de 30 litros
  • Resistencia calefactora de agua --> 300 W 12 V
  • arena de juego (arena para juegos) --> 5-8 kg
  • Se requiere un ventilador.
  • medidor de vatios
• Método:
  • Llena hasta la mitad
  • Coloca el elemento en el centro
  • Conecte el medidor W al cable del elemento.
• En 40 min--> 179 °C, en 50 min--> 290 °C

Sistema de almacenamiento de energía de arena para calentador de agua

• Demanda de materiales de almacenamiento nuevos y eficaces.
• Uso de la arena, abundante en Jordania, como material de almacenamiento.
• La arena silícea predominante en el sur de Jordania está compuesta de un 95,5% a un 98,31% de SiO2.
• Capacidad calorífica específica de la arena de sílice: promedio 830 J/kg°C
• La energía almacenada es proporcional al aumento de temperatura, la capacidad calorífica específica y la masa del medio.
• Radiación solar en Jordania:
  • Promedio anual: 2080 kWh/m2.
  • Más de 300 días de sol al año.
  • Radiación media diaria: 5,7 kWh/m2, con 8 horas de sol.
  • Junio ​​y julio tienen las mayores horas de sol (casi 12 horas) y valores de radiación (8,2 kWh/m2).
  • Diciembre y enero --> menor actividad solar (5 horas/día) y menor radiación diaria (2,9 kWh/m2).
  • La optimización del ángulo de inclinación entre 10° y 60° aumenta la radiación anual a 2419 kWh/m2.
  • Ángulo de inclinación más económico y efectivo para la instalación de sistemas fotovoltaicos en Jordania: 30°.
  • Radiación anual en este ángulo: 2330 kWh/m2.
• Clima en Jordania:
  • Mes más caluroso: julio (temperatura media 25°C/77°F).
  • Mes más frío: enero (temperatura media 8°C/46°F).
  • Parámetros de fluctuación de temperatura: entre 31°C y 4°C durante todo el año.
  • Casos raros de temperaturas extremas: hasta 43 °C y tan bajas como -10 °C en diferentes regiones de Jordania.
  • Diseño de almacenamiento de energía para uso nocturno como fuente de calentamiento de agua.
  • Temperatura estándar del agua caliente: 70°C.
  • Consumo medio de agua caliente por persona en Jordania: 40 litros/día.
  • Tamaño medio de los hogares en Jordania: 5 personas.
  • Cantidad total de agua a calentar: 200 litros (redondeado a 240 litros).
  • Masa de agua: 240 kg.
  • Calor específico del agua: 4,186 kJ/kg°C.
  • Temperatura requerida: 80°C (incluido el margen de error).
  • Temperatura mínima en enero: 5°C.
  • Diferencia de temperatura (∆T): 75°C.
  • Energía requerida (Q):
    • Q=m×Cp×ΔT=240kg×4,186kJ/kg°C×75°C=75,348kJ
  • Menos horas de sol al día en diciembre: 5 horas.
  • Radiación solar media mínima por día en diciembre: 2,9 kWh/m².
  • Demanda de energía: 75.500 kJ --> 20,98 kWh.
• arena de sílice
  • Conductividad térmica: 0,33 W/m°C.
  • Capacidad calorífica media: 0,83 kJ/kg°C
  • ∆T: 75°C
  • m=Q/Cp​×ΔT​-->m=1,213kg.
  • Densidad de la sílice: 1522 kg/m³ --> V = 1 m³
• Diseño de sistemas
  • tanque de almacenamiento
  • Intercambiador de calor
    • D = 60 cm y H = 0,9 m
    • Entrada superior, salida inferior

Calculadora de energía solar para London, Ontario, Canadá ^{[ 16 ]}

• Promedio anual de radiación solar en London, Ontario: 1547,32 kWh/m²
• Radiación diaria promedio: 4,232 kWh/m²
• Meses con mayor número de días soleados: junio 9,6 h y 6,08 kWh/m2, julio 10,1 h y 6,11 kWh/m2
• Menor actividad solar: 2,3 h de enero y 1,97 kWh/m2, 2,7 h de diciembre y 1,67 kWh/m2

Clima y pronóstico meteorológico mensual, Londres, Canadá ^{[ 17 ]}

• Temperatura media en el mes más caluroso: 25,5
• Temperatura media en el mes más frío: -8,2