En nuestras anteriores publicaciones definimos que los sistemas de almacenamiento de frío usan la energía térmica almacenada durante los periodos de baja demanda de enfriamiento o cuando existe un excedente de energía renovable para posteriormente cubrir las cargas térmicas de sistemas de climatización en edificaciones o procesos de enfriamiento en la industria.

Ahora, abordaremos como los sistemas para el almacenamiento de energía térmica destinados a enfriamiento se pueden caracterizar según:

1. El medio de almacenamiento
2. La fuente de energía primaria
3. La tecnología de almacenamiento

Los medios de almacenamiento incluyen agua fría, fluidos a baja temperatura, hielo y otros materiales de cambio de fase. La fuente de energía primaria para generar enfriamiento puede ser electricidad, gas natural, vapor, agua caliente o calor recuperado. Las tecnologías de almacenamiento típicas incluyen tanques de agua fría o fluidos, hielo en tubería o hielo en espiral, y medios encapsulados

1. MEDIO DE ALMACENAMIENTO

Los medios de almacenamiento de energía térmica usados para enfriamiento más comunes son agua, hielo y otros fluidos o materiales de cambio de fase. Estos medios difieren en la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen, las temperaturas a las que almacenan el frío y los requisitos físicos para almacenar dicha energía.

Almacenamiento de agua helada. El almacenamiento de agua helada utiliza la capacidad de calor sensible del agua para almacenar frío. El volumen de almacenamiento requerido depende de la diferencia de temperatura entre el agua suministrada desde el medio donde se está almacenando y el agua de retorno. Una diferencia de temperatura de 11° C (20° F) es la máxima recomendada para la mayoría de las aplicaciones de climatización de edificios.

El agua helada disponible para suministro generalmente se almacena a temperaturas entre 4° C y 7° C (39° F y 44° F). Estas temperaturas son totalmente compatibles con la mayoría de los enfriadores de agua (chillers) y sistemas de distribución convencionales. En caso de que se requiera almacenar agua a temperaturas más bajas será necesario usar aditivos para mezclar con el agua.

Para el caso de la temperatura del agua de retorno se recomienda que sea lo más alta posible manteniendo el ∆T recomendado 11º C (20º F) con el objetivo de maximizar la capacidad de almacenamiento disponible.

Almacenamiento de fluidos a baja temperatura. El almacenamiento de fluidos a baja temperatura es similar al almacenamiento de agua helada, excepto porque se elige un fluido que tiene un punto de congelación más bajo en comparación con el agua corriente.

Esta característica permite el uso de una temperatura de suministro más baja y una mayor diferencia de temperatura entre el suministro y el retorno. Las temperaturas típicas de suministro de estos fluidos pueden llegar a estar entre –2° C y 2° C (29° F y 36° F), con ∆T entre suministro y retorno de agua de 13° C (24° F) o más. Los fluidos de baja temperatura que más se usan para el almacenamiento de energía térmica son soluciones acuosas de sales inorgánicas que inhiben la corrosión y que dependiendo de la concentración se adaptan a la temperatura de suministro mínima deseada.

Almacenamiento de Hielo. El almacenamiento de energía térmica con hielo utiliza el calor latente de fusión del agua. Para este caso, el chiller debe tener la capacidad de suministrar el fluido usado (generalmente mezclas de agua y glicol) para producir hielo a temperaturas entre -9° C y -3° C (15° F y 26° F) para posteriormente almacenar esta energía en hielo. 

Debido a que este rango de temperatura está por debajo del rango de operación normal de los chillers convencionales para aplicaciones de climatización, estos deberán ser seleccionados teniendo en cuenta esta condición de operación. El fluido de transferencia de calor para la fabricación de hielo puede ser un refrigerante o un refrigerante secundario, como una mezcla agua-glicol o alguna otra solución anticongelante.

El almacenamiento térmico con hielo también permite suministrar aire a más baja temperatura a través de las unidades manejadoras de aire lo cual genera sistemas de distribución de aire más pequeños. 

Materiales con cambio de fase (PCM). Los materiales con cambio de fase (PCM) están disponibles en varias formulaciones para congelar y descongelar a diferentes temperaturas seleccionadas. El agua es un ejemplo de un material de cambio de fase que se usa comúnmente para el almacenamiento de energía térmica destinada a enfriamiento y que tiene un punto de congelación muy específico de 0° C (32° F). 

Los materiales de cambio de fase incluyen: Sales hidratadas, ceras de parafina, ácidos grasos, eutécticos de compuestos orgánicos y no orgánicos y polímeros. Los PCM se pueden dividir en tres grupos principales en función de los rangos de temperatura en los que se produce la transición de la fase de almacenamiento de energía térmica. 

• PCM de baja temperatura. Con temperaturas de transición de fase inferiores a 15° C (59° F), generalmente utilizadas en aplicaciones de aire acondicionado y en la industria alimentaria.
•  PCM de temperatura media. Son los más populares, con temperaturas de transición de fase en el rango de 15° C a 90° C (59° F a 194° F) usados para aplicaciones de ahorro de energía en edificaciones con energía solar principalmente en las industrias de la medicina, textiles y electrónica.
• PCM de alta temperatura. Estos tienen una transición de fase superior a 90° C (194° F) y son usados principalmente en aplicaciones industriales y aeroespaciales.

2. FUENTE DE ENERGÍA

Las fuentes de energía más comunes para los equipos de refrigeración en los sistemas de almacenamiento de energía térmica para enfriamiento son electricidad, gas natural, vapor o agua caliente. La electricidad puede ser de la red o generada en el sitio proveniente de alguna fuente de energía renovable. También se puede usar el calor recuperado de un sistema de cogeneración u otro proceso de calentamiento.

La mayoría de los sistemas de almacenamiento de energía térmica para enfriamiento utilizanchillers por compresión de vapor accionados eléctricamente. Sin embargo, los compresores de los sistemas de refrigeración también pueden funcionar con turbinas de vapor o motores de gas natural. 

Las aplicaciones de almacenamiento de energía térmica con chillers no accionados eléctricamente tienen mayor probabilidad de ser usados en configuraciones de sistemas complejos. La estrategia de operación de los sistemas de almacenamiento de energía térmica que cuentan con chillers alimentados por una fuente de energía primaria distinta a la electricidad se seleccionan con base a las siguientes consideraciones:

• Horas de disponibilidad de la fuente de energía primaria
• Programa de costos para la fuente de energía primaria
• Disponibilidad de otros equipos de refrigeración alimentados por electricidad
• Calendario de tarifas eléctricas
• Perfil general de demanda eléctrica de la instalación
• La capacidad de almacenamiento de energía térmica resultante del proceso 

3. TECNOLOGÍA

Las tecnologías de almacenamiento de energía térmica para enfriamiento más comunes se pueden dividir en las siguientes categorías:

• Almacenamiento de agua helada (o fluido a baja temperatura). El agua o fluido refrigerado se almacena en tanques, utilizando la estratificación térmica natural u otras técnicas para separar el fluido de suministro a baja temperatura del fluido de retorno caliente.
• Recolección de hielo. El hielo se forma en la superficie del evaporador y se libera periódicamente en un tanque de almacenamiento lleno de agua.
• Fusión externa de hielo sobre serpentín. El hielo se forma en tuberías sumergidas a través de los cuales circula un refrigerante o refrigerante secundario. El enfriamiento almacenado es aprovechado derritiendo el hielo desde la parte exterior con el agua proveniente del retorno del sistema.
• Fusión interna de hielo sobre serpentín. El hielo se forma en tuberías sumergidas, similares a los del sistema de fusión externa. El frío almacenado se aprovecha derritiendo el hielo desde el interior haciendo circular el refrigerante o refrigerante secundario caliente proveniente del retorno del sistema a través de las tuberías. 
• Hielo encapsulado. Cápsulas de plástico con agua sumergidas dentro de un tanque se congelan y se descongelan a medida que circula refrigerante frío o caliente a través del tanque que contiene estas cápsulas. 

Debido al gran auge que vienen teniendo lo sistemas de almacenamiento de energía térmica para sistemas de climatización o procesos de enfriamiento industriales, estaremos ampliando más en detalle cada una de las tecnologías descritas en esta publicación dando a conocer los beneficios y las diferentes estrategias para su implementación y operación. 

Referencias: ASHRAE Design Guide for Cool Thermal Storage

Autor: Ernesto Porras