Después de varios meses de ausencia (por los que pido disculpas) Alberto aún me deja colarme en su blog (gracias, por cierto). Antes de regresar a los escasos nueve metros cuadrados donde resido en Francia, intentaré dejar huella, conforme he pasado por aquí. Y prometo que seguiré insistiendo para que me instalen internet.
¿Qué son los Materiales de Cambio de Fase? ¿Cuáles son sus posibilidades? Con la mayor claridad posible y brevedad, se hace una pequeña introducción al los PCM y su potencial para el ahorro y la eficiencia energética.
Sin más, me gustaría comenzar con un mini-experimento. Vaya a por el bote de alcohol al botiquín y échese un poco del líquido en el dorso de la mano. Extiéndalo como si fuera una crema por la piel. Al momento sentirá que la mano se enfría como consecuencia del cambio de estado que está teniendo lugar, pues el alcohol toma el calor de su mano para evaporarse (las partículas absorben energía para “escaparse” de la superficie del líquido). La teoría cinético-molecular explica el comportamiento de la materia, sus cambios de estado y el porqué se libera o se absorbe energía en estos procesos.
Interesa especialmente la transformación de una fase liquida a una fase sólida o viceversa. Tanto la fase sólida como la líquida están caracterizadas por la presencia de fuerzas de cohesión debidas a la cercanía entre los átomos que las componen. En la fase sólida las moléculas vibran alrededor de posiciones fijas de equilibrio, mientras que en la fase líquida estas moléculas deben permanecer entre estas posiciones de equilibrio. La manifestación macroscópica de esta energía de vibración es lo que conocemos como energía térmica, la medida de la cual es la temperatura. Claramente se ve que los átomos en la fase líquida son más enérgicos que en la fase sólida; así pues, antes de que un sólido funda deberá adquirir una cierta cantidad de energía para superar las fuerzas de cohesión que mantienen la estructura de sólido. Esta energía es la conocida como calor latente de cambio de fase del material y representa la diferencia de energía térmica (entalpıa) entre las fases líquida y sólida. Esta claro que para la solidificación de un líquido se requerirá la cesión de este calor latente y la estructuración de los átomos en sus posiciones de estabilidad [1].
Cuando existe un gradiente de temperatura en el interior de un sistema hay una transferencia de energía. En el caso del cambio de estado sólido-líquido de un material puro o de un eutéctico el cambio libera o cede energía en la zona de cambio de estado. La ventaja que reside en este hecho es que se puede almacenar grandes cantidades de energía térmica en masas relativamente pequeñas y con pequeñas variaciones de temperatura.
La acumulación de energía térmica por calor latente ha implicado las solución a la polémica de las energías renovables, dependientes de las condiciones metereológicas. Por ejemplo, la energía solar, intermitente por naturaleza, en muchas ocasiones no puede satisfacer la demanda. Entonces, se puede emplear una sustancia que absorba la energía solar y cambie de fase. Al cambiar de fase la sustancia conserva en forma latente la energía absorbida y esta será cedida posteriormente cuando la sustancia regrese a su estado original [2].
Aunque es una característica de todos los materiales, si nos referimos a sustancias con un elevado calor latente (adecuadas para el almacenamiento de energía) se les denomina Materiales de Cambio de Fase o PCM de sus siglas en inglés, Phase Change Materials. Estos materiales son una alternativa eficaz para el almacenamiento térmico y resultan de gran interés en diferentes áreas industriales:
– Almacenamiento y transporte de energía térmica.
– Refrigeración y transporte de productos alimentarios, farmacéuticos o médicos.
– Industria textil.
– Protección térmica de componentes y circuitos electrónicos.
– Climatización pasiva.
– Aislamiento de edificios (construcción bioclimática).
Los últimos avances se están produciendo precisamente en el campo de la eficiencia energética en la edificación empleando PCM como materiales de construcción (Ver noticia de febrero de Review Technology). La eficiencia del PCM está asociada con el intercambio de calor que se produce. Por ejemplo, podemos colocar una capa de PCM en el muro de la pared cerca da la capa exterior (como se muestra en la figura). Durante el día, el PCM absorbe el calor que «fluye» a través del muro desde el ambiente (aire ambiente, radiación solar). Durante la noche, el calor almacenado durante el día se libera tanto para el interior del edificio como para el exterior.
Existen muchas otras configuraciones pero en cualquier caso el fundamento es el mismo.
Concluyendo, el PCM, dentro de su abanico de aplicaciones, se presenta como una alternativa para el ahorro y la eficiencia energética para el sector HVAC (Heating, Ventilating, and Air Conditioning), uno de los sectores de más consumo energético. Pero también, para las energías renovables, ante la posibilidad de eliminar la dependencia climatológica y así poseer un mejor dominio de la demanda.
M. Dominguez Alonso (Instituto del Frio – CSIC) -del cual os dejo el enlace a uno de sus artículos sobre el tema- sostiene que la acumulación de calor empleando PCM reduce espacio, permite desfasar las cargas de producción y aprovechar las tarifas eléctricas. Y que además, la cogeneración junto a la acumulación de calor, puede ser un nuevo sistema rentable en gran número de aplicaciones.
Bibliografía:
[1] Modelización del cambio de fase sólido-líquido. Aplicación a sistemas de acumulación de energía térmica. Centre Tecnològic de Transferència de Calor, Departament de Màquines i Motors Tèrmics, Universitat Politècnica de Catalunya. Bárbara Vidal Jiménez. Doctoral Thesis. Junio 2007.
[2] Universitat Rovira i Virgili
3 Comments
Me parece un campo super interesante, de lo mejor que he visto ultimamente, llevo tiempo estudiando liquidos eutecticos para almacenamiento de frio, y llevo tiempo intentando hacer una instalacion para almacenamiento de frio tipo banco de hielo, pero con otro sistema, y a la vez conocer un tipo de «liquido» que pueda almacenar calor,
habia visto los liquidos eutecticos para instalaciones termosolares, pero yo busco un liquido que cambie de estado sobre los 45ºC, ¿conoceis alguno?
Un saludo y gracias por todo.
Para construccion me parece super interesante, tanto en suelo para almacenar calor, como en superficie exterior para evitar las perdidas.
Un saludo
Muy interesante artículo sobre los materiales de cambio de fase (hay quien se refiere a ellos como geles de cambio de fase). Si bien la explicación de los conceptos termodinámicos es correctísima, veo confuso (y un tanto equivocado) el ejemplo expuesto de aplicación práctica en la construcción. Quizás para máquinas de frío industrial puede ser así, pero discrepo con respecto a la construcción.
Quienes sean conocedores de técnicas en construcción o arquitectura sostenible o de alto ahorro energético se darán cuenta de que colocar la capa de PCM por el exterior de un muro de cerramiento (y por fuera del aislamiento térmico) es lo menos eficiente y recomendable.
Los PCM son, en pocas palabras, materiales de elevada inercia térmica (para que nos entendamos, tardan mucho en calentarse y mucho en enfriarse) y en construcción donde realmente interesa tener inercia térmica es hacia el interior y siempre dentro de la envolvente contínua de aislamiento térmico.
Veamos un ejemplo: una aplicación bastante empleada de los paquetes de geles de cambio de fase es en suelo (ya sea solera o forjado), el sol entra por las ventanas, y a lo largo del día, y muy despacio, va calentando la capa de PCM hasta que cambia de fase (ahí es cuando ha acumulado todo el calor) y luego por la noche empiezan a enfriarse y liberar ese calor (hasta volver a cambiar de fase). Esa es la posición más útil de los PCM, hacia el interior.
Si quisiéramos colocarlos en un muro lo colocaríamos hacia el interior también, entre otras cosas porque cuando por la noche liberen el calor acumulado, lo transmitirán hacia el interior directamente, reduciendo la natural disminución de temperatura interior que se produciría y "ayudando a calefactar" el interior, reduciendo la demanda de calefacción; y además como hacia el exterior estaría el material aislante térmico se minimizarían las pérdidas de calor hacia el exterior. Si los PCM están por fuera del aislante térmico, liberarán su energía térmica acumulada, por supuesto, pero la cantidad de energía que se transmitirá hacia el interior será mínima (ya que está en medio el material aislante térmico dificultando la transmisión) y casi todo el calor se perderá hacia el exterior (hacia donde no hay resistencia térmica alguna).
La única situación en la podría funcionar esa disposición (aislante térmico hacia el interior, PCM por fuera) sería en un lugar de elevadísima radiación solar directa (y sin problemas de bajas temperaturas en casi ningún momento del año). Entonces podría servir para reducir las ganancias térmicas indeseadas. Pero, para evitar que el interior de un edificio se sobrecaliente, hay otras estrategias pasivas de acondicionamiento interior que suelen dar mejor resultado (y que no anulan aprovechar esa inercia térmica en el invierno): son la ventilación, las fachadas ventiladas, la sombra, los elementos de protección solar que proyectan sombra, etc.
Un saludo
excelente Marta. Serviría esto también para explicar la acumulacion de calor en sales fundidas que proclaman los creadores de las nuevas centrales solares termoelectricas?