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• Jose Castillo

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Tema:  Almacenamiento y transporte de energía térmica Ingeniería Electromecánica

Integrantes: Castillo Ramírez José Roberto Aragón Moreno Laura Fernanda Alcantar Ramírez Edgar Ortiz Barrio Víctor Gabriel Aragón Venzor Miguel Ángel

Maestra: Claudia Lizeth De Los Ríos Rentería

¿Qué es la energía térmica? La energía térmica interviene en los procesos caloríficos que consiste en dos cuerpos de diferentes temperaturas se ponen en contacto, la energía que se transmite de cuerpo a cuerpo producto de las diferencias de temperaturas es lo que se denomina energía térmica. Así mismo, la energía térmica puede ser adquirida a través de diferentes medios como: la naturaleza o el sol, reacciones exotérmicas a través de la combustión de algún combustible, la reacción nuclear que puede originarse por la fisión que es cuando la misma se origina en el núcleo atómico o por la fusión cuando varios núcleos atómicos presentan una carga similar, se unen para dar lugar a un núcleo más pesado con la liberación de una gran cantidad de energía. La energía térmica se expresa en calorías (Cal) o kilocalorías (Kcal). La energía térmica se obtiene por una reacción de fisión o fusión nuclear, a través de energía eléctrica, por rozamiento (o fricción), con la combustión de diferentes combustibles o aprovechándose directamente desde la naturaleza o del Sol. Almacenamiento de Energía Térmica El almacenamiento pertenecen una serie de tecnologías que almacenan energía térmica (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. También se basan en la reversibilidad de las reacciones termoquímicas. Estos sistemas pueden ser utilizados para balancear la demanda de energía durante el día y la noche. Los depósitos de calor deben de mantenerse a una temperatura mayor o menos a la del ambiente. Estos sistemas son utilizados junto a plantas generadores de energías renovables en países como Alemania, España, EEUU y Escandinavia. La energía térmica es normalmente acumulada por medio de un colector solar, que envía este calor hacia los depósitos de calor. Esta tecnología es denominada “Energía Solar por Concentración” (CSP) y utiliza elementos ópticos en forma de espejos para concentrar la energía solar, convirtiéndola en energía térmica a temperaturas de entre 300-600°C. Esta energía térmica se utiliza para alimentar turbinas, generalmente de vapor o de aire caliente, que producen electricidad.

Refrigeración solar térmica La idea de utilizar la energía térmica recibida del sol para refrigerar se recibe casi siempre con entusiasmo pues en general la demanda de refrigeración crece con la temperatura ambiente, y ésta a su vez crece con la irradiación, o sea con la energía disponible. Dicho de otra forma, en verano se precisa refrigerar más y es precisamente cuando hay más energía solar disponible. La tecnología utilizada en estos sistemas, la refrigeración por absorción, 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 amoníaco. Su funcionamiento se basa en las reacciones físico-químicas entre un refrigerante y un absorbente, accionadas por una energía térmica -que en el caso de la energía solar es agua caliente. Instalaciones solares de este tipo requieren equipos e instalaciones especiales en las que cada vez hay más experiencia pero que conviene tener un importante respaldo tanto en el diseño como en la ejecución, puesta en marcha y explotación de la instalación. Nuestra visión de energía térmica

Es conocido que el consumo eléctrico mundial, tanto en el sector industrial como en el residencial, presenta una tendencia al alza desde hace más de una década. Específicamente en México, en el período de 1995 a 2005 el consumo de energía per cápita de electricidad en el sector residencial aumentó de 311 a 414 kW-h anuales por habitante. Este aumento del consumo eléctrico en el sector residencial es producido por una saturación de los equipos electrodomésticos existentes en las viviendas del país. Es importante saber que en México el 75% de la electricidad se genera a base de combustibles fósiles utilizados en centrales termoeléctricas, las cuales consumen gas natural, combustóleo o carbón, por lo que un aumento en el consumo de electricidad trae consigo un incremento en la generación de dióxido de carbono y otros gases contaminantes dañinos para el medio ambiente. No es posible detener dichos incrementos en el consumo eléctrico, puesto que están directamente vinculados a la calidad de vida de la población, por lo tanto es necesario realizar investigaciones sobre el uso de energías 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 térmica, la cual aprovecha la energía calorífica del sol que se recibe en forma de radiación; en la actualidad existen aproximadamente 25 plantas generadoras de energía que utilizan esta tecnología en países como España, Estados Unidos, Francia y Alemania más otras 90 en construcción. Energía térmica solar

Se entiende por energía solar térmica, a la transformación de la energía radiante solar en calor o energía térmica. La energía solar térmica se encarga de calentar el agua de forma directa alcanzando temperaturas que oscilan entre los 40ºy 50º gracias a la utilización de paneles solares (siempre temperaturas inferiores a los 80ºC). El agua caliente queda almacenada para su posterior consumo: calentamiento de agua sanitaria, usos industriales, calefacción de espacio, calentamiento de piscinas, secaderos, refrigeración, etc. Por tanto, la energía solar térmica utiliza directamente la energía que recibimos del Sol para calentar un fluido. La diferencia con la energía solar fotovoltaica es que

ésta aprovechado las propiedades físicas de ciertos materiales semiconductores para generar electricidad a partir de la radiación solar. En su almacenamiento tenemos que distinguir dos tipos de sistemas: 

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Sistemas de almacenamiento en medio único. El medio utilizado para almacenar la energía térmica 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 concentración Son los llamados sistemas de "receptor central" La radiación solar se capta por medio de un conjunto de espejos curvos (heliostatos), que reflejan la luz del sol concentrándola en un único punto o foco. Los espejos siguen el movimiento del sol durante el día controlándolo mediante programas informáticos, ya que el movimiento del sol varía con la latitud, la época del año y el día. 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 depósito de agua, que a altas temperaturas se evapora, hecho éste que es aprovechado para hacer mover una turbina. Los receptores centrales tienen características positivas: tienen ratios de concentración de 300 a 1500, por lo que son altamente eficientes pudiendo operar a temperaturas entre 500 y 1500ºC. Almacenamiento de energía térmica en el subsuelo Una tecnología prometedora para reducir el consumo de combustibles fósiles para la producción de calor Actualmente casi el 50% de la energía consumida en Europa se utiliza para la generación de calor, tanto con fines domésticos como industriales. La gran mayoría de esta energía es producida mediante combustibles fósiles (RHC, Europea Tecnología Plataforma, 2011). Por varios motivos será necesario cambiar esta situación mediante el mayor uso del calor residual y la aplicación de fuentes renovables como solar térmica, biomasa y geotermia. El almacenamiento de energía térmica será clave para mejorar el aprovechamiento del calor residual de centrales eléctricas y tecnologías renovables de producción de frío y calor. Para evitar el desajuste estacional entre demanda y suministro, el almacenamiento subterráneo de energía térmica (ASET) es una tecnología muy prometedora. Hay cientos de sistemas en funcionamiento

en Europa para aplicaciones de baja temperatura para el almacenamiento de calor y frío. Para almacenamiento de calor de alta temperatura existen aún pocos sistemas en funcionamiento, pero se espera que cambie en la próxima década debido al gran interés existente en varios países por esta aplicación.

El subsuelo puede ser utilizado para almacenar temporalmente frío o calor. Éste posee una alta capacidad calorífica y también unas buenas propiedades de aislamiento térmico lo que ofrece la posibilidad de almacenar grandes cantidades de calor y frío durante un largo periodo de tiempo, por ejemplo una estación climatológica. El Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica (ASET, o UTES por sus siglas en inglés, Underground Thermal Energy Storage) crea un gran rango de posibilidades de ahorro energético y aplicación de energías renovables, como el almacenamiento de calor procedente de la energía solar en verano para su uso posterior en invierno para calefacción de espacios. Otro ejemplo es el almacenamiento de frío procedente del aire exterior durante el invierno para ser utilizado en refrigeración el verano siguiente. ASET-A: Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica en Acuíferos. Aquifer Thermal Energy Storage (ATES). ASET-B: Almacenamiento Subterráneo de Energía Sondeos. Borehole Thermal Energy Storage (BTES).

Térmica

en

El tipo de almacenamiento se clasifica según la temperatura de almacenamiento, como se muestra en la tabla a continuación.

La temperatura de almacenamiento depende de la fuente de la energía térmica a almacenar y el uso previsto después.

El rendimiento de almacenamiento de frío 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 geológica) y un proyecto de una envergadura suficiente. Para el almacenamiento de frío y calor de baja temperatura, se requiere una capacidad de almacenamiento superior a 200 a 300 MWh/año, para almacenamiento de calor a alta temperatura mayor de 800 a 1000 MWh/año. ASET-A, sistema abierto

ASET-B, sistema cerrado En el caso de Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica en Sondeos (ASET-B), el calor y/o el frío 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 geotérmicas) 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 más compacto con menor distancia entre sondeos, mientras que para conceptos de almacenamiento a baja temperatura en combinación con una bomba de calor geotérmica la distancia entre sondeos suele ser mayor.

Caldera, máquina para generar energía térmica La caldera, en la industria, es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, 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. Además,

es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas... Estanque de acumulación: es el acumulación y distribución de vapor.

estanque

de

Planta termoeléctrica Una central termoeléctrica es una instalación empleada en la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir energía eléctrica. En las centrales térmicas se obtiene energía eléctrica de la siguiente manera: 

El combustible se inyecta a la caldera junto con el aire y allí arde produciendo calor (energía química pasa a energía calorífica) 

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 haciéndola girar. La energía termo mecánica del vapor produce energía mecánica. 

La turbina hace girar al generador, así se transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Combustión interna Cuando un combustible se quema produce energía térmica. La cámara de combustión es un cilindro, por lo general fijo, cerrado en un extremo y dentro del cual se desliza un pistón muy ajustado al cilindro. La posición hacia dentro y hacia fuera del pistón modifica el volumen que existe entre la cara interior del pistón y las paredes de la cámara. La cara exterior del pistón está unida por una biela al cigüeñal, que convierte en movimiento rotatorio el movimiento lineal del pistón. En los motores de varios cilindros, el cigüeñal tiene una posición de partida, llamada espiga de cigüeñal y conectada a cada eje, con lo que la energía producida por cada cilindro se aplica al cigüeñal en un punto determinado de la

rotación. Los cigüeñales cuentan pesados volantes y contrapesos cuya inercia reduce la irregularidad movimiento del eje. Un motor alternativo puede tener de 1 a 28 cilindros.

con del

El equilibrio térmico se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menor y se igualan. Principio de la conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ventajas y desventajas del uso del almacenamiento de la energía térmica

Ventajas 

Son las centrales más baratas de construir (teniendo en cuenta el precio por megavatio instalado), especialmente las de carbón, debido a la simplicidad (comparativamente hablando) de construcción y la energía generada de forma masiva. 

Las centrales de ciclo combinado de gas natural son mucho más baratas (alcanzan el 50%) que una termoeléctrica convencional, aumentando la energía térmica generada (y por tanto, las ganancias) con la misma cantidad de

combustible, y rebajando las emisiones citadas más arriba en un 20%, quedando así en 0,35 kg de CO2, por kW producido. 

La energía térmica se puede aprovechar en un motor térmico;

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La tecnología actual en energía nuclear da lugar a residuos radiactivos que deben ser controlados. Además deben tenerse en cuenta la utilización de terreno de las plantas generadoras de energía Desventajas  El uso de combustibles calientes genera emisiones de gases de efecto y de lluvia ácida a la atmósfera, junto a partículas volantes que pueden contener metales pesados. 

Al ser los combustibles fósiles una fuente de energía finita, su uso está limitado a la duración de las reservas y/o su rentabilidad económica. 

Sus emisiones térmicas y de vapor pueden alterar el microclima local.

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Afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los vertidos de agua caliente en éstos. 

La obtención de energía térmica implica un impacto ambiental. La combustión libera CO2 y otras emisiones contaminantes. y los riesgos de contaminación por accidentes en el uso de los materiales implicados, como los derrames de petróleo o de productos petroquímicos derivados. 

El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra, en nuestra zona varía un 20% de verano a invierno. 

Se debe complementar este método de convertir energía con otros.

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Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados, (energía que no se aprovechara para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.). Transporte o transferencia de energía térmica La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto sólido o un fluido, está a una temperatura diferente de la de su entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica, también conocida como transferencia de calor o intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío. El equilibrio térmico se alcanza cuando, al poner juntos dos cuerpos de distinta temperatura, el de mayor temperatura cede parte de su energía al de menor y se igualan.

Principio de la conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Métodos de transferencia 

Conducción: Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio estacionario -que puede ser un sólido- cuando existe una diferencia de temperatura.

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Convección: La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama convección en sí, 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 está en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que está en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dejó la cacerola caliente.

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Radiación: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas electromagnéticas.

Bibliografía y páginas de referencia

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