En la era del rápido desarrollo de las energías renovables, hacer frente al suministro intermitente de energía se ha convertido en un gran reto. Como núcleo de la tecnología de almacenamiento de energía térmica (TES), los materiales de cambio de fase (PCM) se están convirtiendo en un avance importante en la resolución de este problema crítico debido a sus eficientes capacidades de almacenamiento y liberación de energía. Estos materiales no sólo satisfacen las necesidades de calefacción urbana, sino que también son adecuados para diversas aplicaciones industriales.
En este artículo, nos centraremos en el análisis de los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía térmica y debatiremos cómo pueden contribuir a mejorar la eficiencia energética y la amplia aplicación de las energías renovables.
Índice
¿Qué son los materiales de cambio de fase (PCM)?
Materiales de cambio de fase (PCM) son una clase de materiales capaces de absorber o liberar grandes cantidades de calor durante un proceso de cambio de fase (por ejemplo, de sólido a líquido). Estos materiales se caracterizan por una elevada capacidad de calor latente, lo que les permite almacenar energía de forma eficiente en un espacio relativamente pequeño. Además, debido a su excelente capacidad de almacenamiento de energía, los PCM se utilizan actualmente en una amplia gama de aplicaciones, como la calefacción urbana, la gestión de la energía térmica en entornos industriales y el almacenamiento de energías renovables.
Tipos de materiales de cambio de fase
Los materiales de cambio de fase (PCM) pueden dividirse en las siguientes categorías en función de su composición y propiedades. Cada tipo de PCM desempeña un papel único en diferentes escenarios de almacenamiento de energía térmica debido a sus propiedades físicas específicas y a su rango de temperatura.
- Sistemas inorgánicos: Entre ellos se encuentran las sales, los hidratos de sales y las aleaciones metálicas. Estos materiales tienen una alta densidad de almacenamiento de energía y una buena conductividad térmica, y se utilizan habitualmente para el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura.
- Compuestos orgánicos: los más comunes son cera de parafina y ácidos grasos. Estos materiales tienen una buena estabilidad química y no son corrosivos, por lo que son muy adecuados para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica a baja y media temperatura.
- Polímeros: Un ejemplo representativo es polietilenglicol (PEG). Este material es flexible y ajustable, por lo que resulta ideal para necesidades especiales de almacenamiento de energía.
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Cómo funcionan los materiales de cambio de fase en el almacenamiento de energía térmica
Los materiales de cambio de fase almacenan y utilizan la energía térmica absorbiendo y liberando calor latente. Entender cómo funciona es, por tanto, crucial para seleccionar el material de cambio de fase adecuado. En los sistemas de almacenamiento de energía térmica (TES), el principio de funcionamiento se refleja principalmente en los dos aspectos siguientes:
Método de transferencia de calor
- Contacto directo: el PCM está en contacto directo con el fluido caloportador para realizar el intercambio de calor, y la eficiencia de la conductividad térmica de este material es alta. Sin embargo, cabe señalar que es necesario evitar que el material se mezcle y se contamine.
- Macroencapsulación: El PCM se encapsula en un recipiente más grande de material neutro. Este método facilita el almacenamiento y la manipulación, al tiempo que evita fugas y reacciones químicas.
- Microencapsulación: Encapsular el PCM a través de diminutas conchas permite una distribución más uniforme. Además, puede mezclarse directamente con el material de la matriz, lo que lo hace ideal para el almacenamiento de energía térmica en equipos de precisión.
Requisitos de estabilidad térmica y encapsulación
- En proceso de fusión y solidificación de PCM afecta directamente a la eficacia del almacenamiento y la liberación de energía térmica. También determina su temperatura de funcionamiento. Por lo tanto, es esencial comprender en profundidad este proceso. Debe seleccionar un material de cambio de fase con una temperatura de cambio de fase que se ajuste al entorno de funcionamiento previsto en función de sus necesidades específicas de almacenamiento de energía térmica.
- Otra cosa es que debe estar encapsulado. Esto se debe a que un encapsulado eficaz evita las fugas o la contaminación de la placa de circuito impreso durante su uso. Esto puede aumentar en cierta medida la vida útil y la fiabilidad del sistema.
Ventajas e inconvenientes de los materiales de cambio de fase
Ventajas
- Mayor densidad de almacenamiento de energía: El PCM puede almacenar más energía en forma de calor latente que los métodos tradicionales de almacenamiento hidrotérmico. En comparación con el agua, puede almacenar más calor por unidad de volumen de masa y tiene una mayor eficiencia de almacenamiento térmico.
- Menor diferencia de temperatura entre el almacenamiento y la liberación: La temperatura permanece relativamente constante durante el proceso de cambio de fase, lo que mejora la estabilidad y la eficacia del almacenamiento y la liberación de energía térmica.
- Rango de temperaturas de funcionamiento versátil: Existen distintos tipos de PCM para cubrir una amplia gama de necesidades, desde bajas temperaturas (-20 °C) hasta altas temperaturas (más de 100 °C).
- Ciclabilidad: El material puede soportar miles de ciclos de fusión y solidificación, lo que lo hace especialmente adecuado para sistemas de almacenamiento de energía que se utilizan repetidamente durante mucho tiempo.
Desventajas
- Inversión inicial elevada: Los materiales PCM son relativamente caros de desarrollar, fabricar e integrar en los sistemas, lo que puede limitar su implantación a gran escala.
- La baja conductividad térmica afecta a la velocidad de transferencia de calor: Los PCM suelen tener una baja conductividad térmica, lo que se traduce en unos índices más lentos de almacenamiento y liberación de energía térmica.
- Temperatura de funcionamiento limitada: El rango de temperatura de funcionamiento efectivo de los PCM está limitado por su temperatura de cambio de fase, que debe seleccionarse con precisión para la aplicación específica, lo que los hace menos flexibles.
- Cuestiones de encapsulación y fugas: Los PCM son propensos a las fugas en estado líquido, especialmente los materiales salinos inorgánicos que pueden corroer los dispositivos de almacenamiento. Por eso se necesitan técnicas especiales de encapsulación para evitar fugas.
- La eficiencia del almacenamiento se ve afectada por el entorno: El PCM es sensible a las fluctuaciones de la temperatura ambiente. Por ejemplo, cuando la temperatura alta o baja está fuera del rango de transición de fase, no puede aprovechar el almacenamiento de energía.
El papel de la tecnología TES y PCM en la descarbonización
Las tecnologías TES y PCM son fundamentales en los sistemas energéticos con bajas emisiones de carbono. Estos sistemas pueden evitar eficazmente el problema de la intermitencia almacenando y liberando calor de forma racional.
Energía intermitente
Las fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, tienen procesos intermitentes de generación de energía, lo que puede dar lugar a una producción eléctrica inestable. El PCM, combinado con la tecnología TES, puede almacenar eficazmente el calor residual y el exceso de energía térmica y liberarlo durante los periodos de máxima demanda. Esto aumenta enormemente la capacidad de suministro de energía de la central eléctrica y resuelve eficazmente el problema de la energía intermitente.
Reducción del consumo de energía y aumento de la eficiencia
Al almacenar energía térmica mediante PCM, las centrales eléctricas pueden equilibrar la oferta y la demanda de energía térmica durante las fluctuaciones de potencia y mantener un funcionamiento eficiente. Esto se debe a que la tecnología de almacenamiento de energía térmica conserva eficazmente el calor que, de otro modo, se desperdiciaría de diversas formas. Esta energía se libera cuando se necesita, ampliando la capacidad operativa de la central. Este diseño maximiza la eficiencia.
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PREGUNTAS FRECUENTES
Las sales, los hidratos de sal y las parafinas que hemos mencionado anteriormente son especialmente adecuados para el almacenamiento de calor. De ellos, la parafina y los hidratos de sal son adecuados para las necesidades de almacenamiento de calor en edificios a baja y media temperatura, mientras que los materiales salinos como los nitratos son más adecuados para el almacenamiento de calor a alta temperatura.
La más económica es el agua, mientras que las sales fundidas o los metales pueden calentarse a temperaturas más altas y absorben mejor la energía.
Los materiales PCB liberan y absorben grandes cantidades de energía externamente al fundirse y solidificarse.
