Materiales de Cambio de Fase orientados a la eficiencia energética

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