Desde mantener el calor en invierno hasta lavar la ropa, el calor es crucial para la vida diaria.Pero mientras el mundo se enfrenta al cambio climático, el creciente consumo de energía de los edificios es un problema crítico.Actualmente, el calor se produce quemando combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas, pero eso tendrá que cambiar a medida que el mundo adopte energías limpias.

Los investigadores de Georgia Tech en la Escuela de Ingeniería Mecánica (ME) George W. Woodruff están desarrollando sistemas de calefacción más eficientes que no dependen de combustibles fósiles.Demostraron que la combinación de dos sales comúnmente encontradas podría ayudar a almacenarenergía limpiacomo calor;Esto puede usarse para calentar edificios o integrarse con unbomba de calorpara enfriar edificios.

Los investigadores presentaron su investigación en un artículo titulado "Almacenamiento de energía termoquímica utilizando mezclas de sales con cinética de hidratación mejorada y estabilidad cíclica".publicadoen elRevista de almacenamiento de energía.

reducción de reacción

La mecánica fundamental del almacenamiento de calor es simple y se puede lograr mediante muchos métodos.Una reacción química reversible básica es la base de su enfoque: una reacción directa absorbe calor y luego lo almacena, mientras que una reacción inversa libera el calor, lo que permite que un edificio lo utilice.

La profesora asistente de ME Akanksha Menon ha estado interesada en el almacenamiento de energía térmica desde que comenzó a trabajar en su doctorado.Cuando llegó a Georgia Tech y fundó el Laboratorio de Investigación de Agua y Energía (WERL), se involucró no solo en el desarrollo de tecnología y materiales de almacenamiento, sino también en descubrir cómo integrarlos dentro de un edificio.Pensó que comprender los desafíos materiales fundamentales podría traducirse en la creación de un mejor almacenamiento.

"Me di cuenta de que hay muchas cosas que no entendemos, a nivel científico, sobre cómo funcionan estos materiales termoquímicos entre las reacciones directa e inversa", dijo.

La sal superior

Las reacciones con las que trabaja Menon utilizan sal.Cada molécula de sal puede contener una determinada cantidad de moléculas de agua dentro de su estructura.Para provocar la reacción química, los investigadores deshidratan la sal con calor, de modo que expulsa vapor de agua en forma de gas.Para revertir la reacción, hidratan la sal con agua, forzando la expansión de la estructura de la sal para acomodar esas moléculas de agua.

Parece un proceso simple, pero a medida que ocurre este proceso de expansión/contracción, la sal se estresa más y eventualmente fallará mecánicamente, de la misma manera que las baterías de iones de litio solo tienen un número determinado de ciclos de carga y descarga.

"Se puede comenzar con algo que sea una bonita partícula esférica, pero después de pasar por algunos de estos ciclos de deshidratación-hidratación, simplemente se rompe en partículas diminutas y se pulveriza por completo o se sobrehidrata y se aglomera en un bloque", explicó Menon.

Estos cambios no son necesariamente catastróficos, pero hacen que la sal sea ineficaz para el almacenamiento de calor a largo plazo, ya que la capacidad de almacenamiento disminuye con el tiempo.

Menon y su alumno, Erik Barbosa, Ph.D.estudiante de ME, comenzó a combinar sales que reaccionan con el agua de diferentes maneras.Después de probar seis sales durante dos años, encontraron dos que se complementaban bien.El cloruro de magnesio a menudo falla porque absorbe demasiada agua, mientras que el cloruro de estroncio tarda mucho en hidratarse.Juntas, sus respectivas limitaciones pueden beneficiarse mutuamente y conducir a un mejor almacenamiento de calor.

"No planeábamos mezclar sales; fue sólo uno de los experimentos que intentamos", dijo Menon."Luego vimos este comportamiento interactivo y pasamos todo un año tratando de entender por qué sucedía esto y si era algo que podíamos generalizar para usar en el almacenamiento de energía térmica".

El almacenamiento de energía del futuro

Menon apenas está comenzando con esta investigación.Su siguiente paso es desarrollar estructuras capaces de contener estas sales para almacenar calor, que es el foco de un proyecto Energy Earthshots.

También está prevista una demostración a nivel de sistema, en la que una solución consiste en llenar un tambor con sales en un reactor de lecho compacto.Luego, el aire caliente fluiría a través de las sales, deshidratándolas y cargando efectivamente el tambor como si fuera una batería.Para liberar esa energía almacenada, se soplaría aire húmedo sobre las sales para rehidratar los cristales.

El calor liberado posteriormente se puede utilizar en un edificio en lugar decombustibles fósiles.Si bien para iniciar la reacción se necesita electricidad, esta podría provenir de las horas valle (exceso de electricidad renovable) y la energía térmica almacenada podría desplegarse en las horas pico.Este es el foco de otro proyecto en curso en el laboratorio.

En última instancia, esta tecnología podría conducir a soluciones energéticas respetuosas con el clima.Además, a diferencia de muchas alternativas como las baterías de litio, la sal es un material rentable y ampliamente disponible, lo que significa que su implementación podría ser rápida.a base de salalmacenamiento de energía térmicapuede ayudar a reducir las emisiones de carbono, una estrategia vital en la lucha contracambio climático.

Más información:Erik Barbosa et al, Almacenamiento de energía termoquímica utilizando mezclas de sales con cinética de hidratación y estabilidad cíclica mejoradas,Revista de almacenamiento de energía(2024).DOI: 10.1016/j.est.2024.111916