Modelado termodinámico en tiempos finitos para sistemas de almacenamiento de energía asociados a bombas de calor.

Abstract

En los últimos años, ha habido un notable aumento en la proporción de fuentes de energía renovable en la producción de electricidad. Sin embargo, su naturaleza intermitente genera un desequilibrio entre la oferta y la demanda, lo que ha desatado la necesidad de desarrollar sistemas de almacenamiento de energía. En este trabajo, se presenta un enfoque innovador a esta problemática utilizando bombas de calor con medios de almacenamiento líquidos y sólidos, junto con un modelo termodinámico en estado estacionario. Este modelo abarca los ciclos de bomba de calor y motor térmico, los cuales están acoplados de manera similar a los ciclos de Brayton y Rankine transcrítico. El modelo incluye explícitamente parámetros que tienen en cuenta las principales pérdidas internas y externas. Estas estrategias asociadas a la termodinámica de los tiempos finitos se basaron en un conjunto reducido de variables y sin los altos costos computacionales de los modelos dinámicos. Se han derivado expresiones para las principales magnitudes en los modos de carga (como la potencia de entrada y el coeficiente de rendimiento) y descarga (como la potencia de salida y la eficiencia), así como la eficiencia global de ida y vuelta. Se obtuvieron eficiencias que van desde un 30 a un 70 %, siendo las pérdidas internas aquellas con mayor influencia negativa en los valores calculados. El modelo ha proporcionado además una evaluación termodinámica y resultados de rendimientos para varios ejemplos de disposiciones particulares. Adicionalmente, se realiza un análisis de la pérdida temporal de energía en medios de almacenamiento líquido. Para dicho modelo complementario, se calcularon las pérdidas en los tanques asociadas a las fluctuaciones climáticas de una ciudad de referencia. Se desarrolló un modelo cero-dimensional donde se consideraron los efectos de radiación, convección y conducción. Los resultados obtenidos mostraron que durante períodos largos, el tiempo y el espesor del aislamiento tienen una influencia significativa en el rendimiento a lo largo del tiempo. Para la tecnología tipo Brayton, la eficiencia del ciclo completo puede reducirse diariamente en un 0.4% y para Rankine, un 0,03 %. En resumen, los modelos numéricos desarrollados en este trabajo permiten el análisis y evaluación de los sistemas de almacenamiento de energía con bombas de calor, basados en tecnología disponible y un escenario de operación realista.

In the past few years, there has been a notable increase in the proportion of renewable energy sources in electricity production. However, their intermittent nature creates an imbalance between supply and demand, leading to the need for developing energy storage systems. This study presents an innovative approach to this issue employing heat pumps with liquid and solid storage media, along with a steady-state thermodynamic model. This model integrates heat pump and thermal engine cycles, which are coupled similarly to Brayton and transcritical Rankine cycles. The model explicitly includes parameters accounting for major internal and external losses. These strategies, associated with nite-time thermodynamics, were based on a reduced set of variables without the high computational costs of dynamic models. Expressions for key quantities in charging modes (such as input power and coefficient of performance) and discharging modes (such as output power and efficiency), as well as round-trip efficiency, were derived. Efficiencies ranging from 30% to 70% were obtained, with internal losses having the greatest negative influence on calculated values. Additionally, the model provided a thermodynamic evaluation and performance results for various speci c arrangements. Furthermore, an analysis of temporal energy loss in liquid storage media was undertaken. For this complementary model, losses in tanks associated with climatic fluctuations of a reference city were calculated. A zero-dimensional model was developed considering radiation, convection, and conduction effects. Results showed that over long periods, insulation time and thickness signi cantly in uence performance over time. For Brayton-type technology, the efficiency of the complete cycle can decrease daily by 0.4%, and for Rankine, by 0.03 %. In summary, the numerical models developed in this study enable the analysis and evaluation of heat pump energy storage systems based on available technology and a realistic operating scenario.