Tecnologia de armazenamento térmico

Energia térmica, como uma das fontes de energia mais importantes utilizadas pela humanidade, é classificada principalmente em três categorias com base em seus princípios de funcionamento: armazenamento térmico sensível, armazenamento térmico latente (mudança de fase) e armazenamento térmico termoquímico. Ele é responsável por 40% a 50% do consumo final de energia e suas aplicações são extremamente amplas-. No atual sistema de desenvolvimento e utilização de energia, quase todos os processos de conversão de energia envolvem energia térmica. Contudo, devido à inevitável perda de energia durante a conversão de energia, a tecnologia de armazenamento térmico raramente é aplicada diretamente ao armazenamento de energia elétrica (ou seja, situações em que tanto a entrada como a saída são energia elétrica). Em vez disso, é mais frequentemente utilizado como um elo na cadeia de conversão de energia ou simplesmente aplicado a sistemas térmicos.

Armazenamento de calor sensível

A tecnologia de armazenamento de calor sensível é um método de armazenar e liberar calor utilizando mudanças na temperatura de uma substância. Seu mecanismo de funcionamento é relativamente simples: o armazenamento ou liberação de calor é obtido aquecendo ou resfriando o meio. Durante este processo, o meio não sofre transformação química ou mudança de fase, tornando todo o sistema fácil de controlar e operar de forma estável. Além disso, existem muitos tipos de materiais de armazenamento de calor disponíveis a baixo custo, tornando-os adequados para aplicações em grande-escala. Esta tecnologia não é apenas altamente madura, mas também demonstra amplo potencial de aplicação em vários campos. No entanto, o armazenamento de calor sensível também enfrenta alguns desafios, como baixa densidade de energia, equipamento grande, perda significativa de calor durante o armazenamento-de longo prazo e temperatura de saída instável. Os meios de armazenamento de calor sensível podem ser amplamente classificados em duas categorias: líquidos e sólidos. Os materiais comuns de armazenamento de calor líquido incluem água, óleo térmico, sal fundido e metal líquido. Entre estes, a água, devido à sua boa segurança e estabilidade, e ao facto de a sua temperatura de armazenamento de calor normalmente não exceder os 100 graus, é amplamente utilizada em sistemas de aquecimento solar de água e aquecimento ambiente. Os óleos térmicos, com excelente condutividade térmica e ampla faixa de temperatura operacional, têm sido usados ​​nas primeiras aplicações de armazenamento de energia térmica em média- e alta-temperatura; no entanto, seu alto custo, inflamabilidade e os riscos potenciais de alta-pressão em sistemas-de circuito fechado levaram à sua substituição gradual por outras opções superiores. Em contraste, os sais fundidos, com baixa pressão de vapor saturado, baixa viscosidade, alta condutividade térmica, não-inflamabilidade e não-toxicidade, apresentam bom desempenho em temperaturas correspondentes aos parâmetros do vapor principal e são relativamente baratos, tornando-os considerados uma escolha ideal para conversão termoelétrica solar. No entanto, a temperaturas ambientes extremamente elevadas, os sais fundidos podem corroer tubulações e equipamentos relacionados, necessitando de mais pesquisas e melhoria da sua compatibilidade e resistência ao calor com o aço inoxidável. Os metais líquidos, devido à sua condutividade térmica extremamente alta, são considerados uma solução potencial de armazenamento térmico em altas-temperaturas (acima de 600 graus); no entanto, dadas as suas propriedades químicas altamente reativas, são necessárias medidas de segurança adicionais para garantir o funcionamento normal do sistema, e o seu elevado custo mantém-nos nas fases iniciais de exploração.

Os materiais sólidos comuns de armazenamento térmico incluem concreto, rocha e tijolos refratários. Em comparação com os materiais de armazenamento térmico líquidos, os materiais de armazenamento térmico sólidos podem operar a temperaturas mais elevadas e armazenar mais calor no mesmo espaço, o que significa uma redução na quantidade de material necessário e uma diminuição no custo global.

Armazenamento térmico de calor latente (mudança de fase)

A tecnologia de armazenamento de energia térmica com mudança de fase depende principalmente do calor latente como principal forma de armazenamento de energia. Esta tecnologia utiliza a absorção ou liberação de grandes quantidades de calor latente durante as transições de fase para armazenar calor. Durante este processo, a temperatura do material permanece quase constante. Esta tecnologia de armazenamento de energia térmica apresenta vantagens significativas, como alta densidade de energia e pequeno volume.

O processo pelo qual a matéria se transforma de um estado para outro é chamado de transição de fase. Normalmente, essa transição ocorre sob condições isotérmicas ou quase{1}}isotérmicas e é acompanhada por uma mudança significativa de energia-a absorção ou liberação de uma grande quantidade de calor. Esta energia é definida como o calor latente de transição de fase. Em particular, o calor latente envolvido na transição de fase da maioria dos materiais é muito maior que o do calor sensível. Por exemplo, a água tem uma capacidade de calor específico de aproximadamente 4,2 kJ/kg·grau, e durante a transição do estado sólido para o líquido (gelo derretendo em água), a água pode absorver 355 kJ/kg de energia como calor latente de transição de fase. Portanto, em termos de densidade de energia, a utilização do calor latente de transição de fase é significativamente superior aos métodos que dependem apenas do calor sensível.

As transições de fase da matéria incluem principalmente quatro tipos: sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gás e líquido-gás. Embora as transições sólido-gás e líquido-gás tenham altos valores de calor latente, as mudanças significativas de volume nesses casos aumentam a dificuldade de operação prática, limitando assim sua aplicação. Em contraste, as transições de fase sólida-sólida, que ocorrem quando um material sólido se transforma de um estado cristalino para outro, exibem alterações de volume menores e menor super-resfriamento, mas o calor liberado ou absorvido é geralmente menor do que os outros processos de transição de fase. Nas transições de fase sólida-líquida, a matéria muda do estado sólido para o estado líquido. Embora esse processo exija um recipiente específico para conter o líquido, a mudança de volume é muito menor do que nas transições de fase sólida-gás e líquida-gasosa, e o calor latente envolvido é significativamente maior do que nas transições de fase sólida-sólida. Dadas essas características, as transições de fase sólida{16}}líquida são atualmente consideradas o método de armazenamento térmico de mudança de fase mais prático e amplamente aplicável.

Atualmente, existem diversos tipos de materiais utilizados na tecnologia de armazenamento térmico de mudança de fase, divididos principalmente em duas categorias com base em sua composição química: orgânicos e inorgânicos. Os materiais orgânicos de mudança de fase incluem principalmente substâncias como parafina, álcoois e ácidos graxos; enquanto os materiais inorgânicos de mudança de fase são representados por sais cristalinos hidratados, sais fundidos e metais ou suas ligas. De modo geral, os materiais orgânicos de mudança de fase são mais adequados para armazenamento de energia térmica na faixa de temperatura baixa a média, enquanto os materiais inorgânicos de mudança de fase apresentam melhor desempenho de armazenamento de energia térmica sob condições de temperatura média a alta.

Armazenamento térmico termoquímico

A tecnologia termoquímica de armazenamento de energia térmica apresenta altíssima densidade de energia por unidade de volume, chegando à ordem de GJ/m³. Em comparação, a densidade de energia dos materiais de armazenamento de calor sensível é de apenas cerca de um{1}}décimo, e a dos materiais de armazenamento de calor latente é de apenas metade. Além disso, ao separar os reagentes, essa tecnologia pode alcançar armazenamento de energia térmica com-perda zero em temperatura ambiente, sendo, portanto, amplamente considerada uma das tecnologias mais promissoras para armazenamento de energia térmica em grande-escala e longo-prazo. Com base nas diferentes mudanças nas ligações químicas envolvidas no processo de armazenamento de energia, o armazenamento de energia térmica termoquímica pode ser dividido em duas categorias principais: armazenamento de energia térmica por quimissorção e armazenamento de energia térmica por reação química.

O armazenamento térmico por quimissorção é particularmente adequado para aplicações em ambientes-de baixa temperatura. Baseia-se na formação e quebra de forças intermoleculares físicas ou químicas (como forças de van der Waals, forças eletrostáticas e ligações de hidrogênio) entre adsorventes sólidos e adsorbatos gasosos para obter armazenamento e liberação de calor. Esta tecnologia inclui principalmente duas categorias de sistemas: uma é um sistema de sal hidratado que utiliza vapor de água como adsorbato; o outro é um sistema complexo de amônia que utiliza moléculas de amônia como adsorbato. A Tabela 1-2 mostra os tipos específicos, temperaturas de armazenamento/liberação de calor e densidades de armazenamento de energia de vários materiais de armazenamento térmico de quimissorção comumente usados.

Tabela 1-2 Propriedades de materiais de armazenamento térmico de adsorção química comumente usados:

O armazenamento de energia térmica por reação química é aplicado principalmente em condições de média- e alta-temperatura, e seus sistemas são diversos, incluindo reforma de metano, síntese e decomposição de amônia, hidretos metálicos, carbonatos, óxidos metálicos e hidróxidos metálicos. Esses métodos conseguem o armazenamento e liberação de energia térmica através da quebra e recombinação de ligações químicas. Este tipo de armazenamento de energia possui grandes valores de reação, alta densidade de energia e uma ampla faixa de temperatura operacional. No entanto, em aplicações práticas, permanecem desafios, incluindo controlo de custos, corrosão de materiais e armazenamento de gás. Portanto, é necessário realizar-pesquisas aprofundadas sobre os mecanismos de reação relevantes e otimizar o fluxo do processo para melhorar o desempenho geral.

Os sistemas termoquímicos de armazenamento de energia térmica possuem estruturas complexas e numerosos dispositivos auxiliares, resultando em elevados custos de investimento inicial. Atualmente, sua ultra{1}}densidade de energia por unidade de volume não foi totalmente utilizada. Além disso, devido à complexidade dos mecanismos de reacção química envolvidos, o controlo preciso das taxas de reacção é um desafio, e alguns processos de reacção têm requisitos de segurança rigorosos, melhorando ainda mais a eficiência global do sistema. Portanto, são necessárias pesquisas-mais aprofundadas sobre a tecnologia termoquímica de armazenamento de energia térmica para resolver esses problemas.