Characterization of thermal energy storage materials for buildings applications

Abstract

Thermal energy storage offers a great range of opportunities and benefits to enhance energy efficiency in buildings, improve heating and cooling systems, and to increase the share of renewable energy sources. This manuscript provides an overview of characterization parameters and requirements of thermal storage materials for building applications. It analyzes sensible, latent and thermochemical materials for low-temperature applications: up to 21ºC for cooling solutions, between 22ºC and 28ºC for comfort solutions, and over 29ºC for hot water and heating applications. Classification of available thermal storage materials technically developed and applications is reported. Physical, thermodynamic, kinetic, chemical and economic properties of conventional and second generation materials are assessed and compared. Advantages, drawbacks and challenges of diverse alternatives are discussed and future research efforts are highlighted. Sensible and latent heat storage are identified as very attractive solutions towards the development of competitive low-carbon energy measures for buildings. On the other hand, thermochemical storage materials do not present yet clear advantages for low-temperature storage applications. Despite the high energy densities and high heat ability for long-term storage periods due to negligible heat losses of thermochemical energy storage, currently there is no material available that satisfies all requirements for building operations. Additional research efforts are required to optimize operation conditions, storage cycles efficiency, material costs and systems design.

El almacenamiento de energía térmica ofrece un gran abanico de posibilidades y beneficios para mejorar la eficiencia energética de la edificación y aumentar el uso de las energías renovables. Este artículo proporciona una visión general de los parámetros y requerimientos de los materiales de almacenamiento térmico para aplicaciones de edificación. Para ello, los principales materiales sensibles, latentes y termoquímicos en aplicaciones de baja temperatura son analizados: hasta 21°C para soluciones de refrigeración, entre 22ºC y 28ºC para soluciones de confort, y de más de 29ºC para aplicaciones de agua caliente y calefacción. Las propiedades físicas, termodinámicas, cinéticas, químicas y económicas de los materiales convencionales y de segunda generación son evaluadas y comparadas. Las ventajas, inconvenientes y retos de las diversas alternativas son discutidas y los futuros esfuerzos de investigación necesarios son identificados. Los resultados obtenidos determinan que el almacenamiento sensible y latente constituyen soluciones atractivas hacia el desarrollo de medidas de eficiencia energética bajas en carbono. Por otro lado, los materiales termoquímicos no presentan todavía claras ventajas. A pesar de la alta densidad energética y de su capacidad de almacenamiento durante largos periodos debido a las insignificantes perdidas de calor, actualmente ningún material satisface todos los requerimientos para aplicaciones de edificación. Mayores esfuerzos en investigación son necesarios para optimizar las condiciones de operación, la eficiencia de los ciclos de almacenamiento y los costes del material y los sistemas.