Join us at the International Thermal Conductivity Conference and the International Thermal Expansion Symposium.
Las fuentes de energía renovables a partir de recursos naturales, como la energía solar y la eólica, son indispensables en la lucha contra el cambio climático. Sin embargo, el problema asociado con las energías renovables es su suministro intermitente. Por ejemplo, el sol no brilla por la noche y el viento no sopla en todo momento. Estas fluctuaciones naturales en las fuentes de energía renovables no coinciden con la demanda mundial de electricidad, lo que resulta en un desajuste entre la oferta y la demanda. Por lo tanto, para utilizar eficientemente las energías renovables, es imperativo contar con métodos de almacenamiento de energía rentables y a gran escala, que puedan absorber el excedente de energía durante las horas de menor actividad y suministrar la energía almacenada durante las horas de mayor actividad.
Existen varios medios para almacenar energía, y los materiales de cambio de fase (PCM) constituyen uno de los elementos más apropiados para almacenar energía térmica de fuentes de energía renovable de manera efectiva. Los PCM son materiales que tienen una capacidad intrínseca para absorber y liberar calor durante los ciclos de transición de fase. El almacenamiento de calor latente que utilizan los materiales PCM encuentra su aplicación en varios campos, incluidos los sistemas de almacenamiento de energía para edificios, los sistemas de recuperación de calor residual, las fibras termorreguladoras, los materiales textiles inteligentes, el manejo térmico de las baterías, el manejo de la temperatura de la microelectrónica, las aplicaciones fotovoltaicas térmicas (PV/T), las aplicaciones de almacenamiento de energía térmica espacial y terrestre, y el manejo de la temperatura de los invernaderos1. Existen varios materiales PCM que se clasifican como mezcla orgánica, inorgánica o eutéctica, y que están disponibles para el almacenamiento de energía. La selección de los PCM para la aplicación del mundo real depende de las propiedades del material. Las propiedades principales del material consideradas son el punto de fusión, el calor latente, la conductividad térmica, la toxicidad, la inflamabilidad, el costo y la disponibilidad. Entre estos criterios, la predicción exacta de la conductividad térmica es fundamental para determinar la rapidez con la que el PCM puede cargar y descargar la energía térmica almacenada y desempeña un rol importante en el rendimiento operativo de la tecnología de los PCM utilizados.
La mayoría de los materiales de cambio de fase tienen conductividades térmicas bajas, especialmente los compuestos orgánicos, por lo que la optimización de la conductividad térmica constituye uno de los criterios de diseño más importantes para la aplicación de almacenamiento de los PCM. Los métodos que más comúnmente se aplican en la optimización de la transferencia de calor utilizan aletas, inserción o dispersión de materiales de alta conductividad térmica, multitubos y micro o macroencapsulado2.
Un solo calentador de agua solar puede reducir aproximadamente 50 toneladas de emisiones de CO2 en 20 años. La integración de un sistema de calefacción solar térmico con tecnología TES basada en materiales PCM sólidos y líquidos puede absorber más calor que un calentador de agua solar convencional. El calentador de agua solar basado en PCM no solo puede mejorar la eficiencia sino que también evita las fluctuaciones en la temperatura del agua almacenada. Al principio, los calentadores de agua funcionaban al llenar su parte inferior con PCM. Sin embargo, la cantidad de energía disponible en el sistema de almacenamiento estaba limitada por la baja conductividad térmica de los PCM. Actualmente, varios investigadores se centran en aumentar la conductividad térmica de los PCM para almacenar de manera eficiente la energía térmica para calentar agua. La figura 1 ilustra un típico calentador de agua solar.
La energía solar de concentración (CSP en inglés) es otra tecnología probada que utiliza materiales PCM para el almacenamiento de la energía térmica. Actualmente, en EE. UU. y España, una decena de instalaciones de plantas de energía a gran escala utilizan PCM, junto con torres de CSP. La figura 2 ilustra un esquema de tecnología CSP integrada a PCM. Los PCM que se han investigado para los sistemas CSP incluyen compuestos orgánicos (alcoholes de azúcar (<200 oC), sales fundidas (> 300 oC) y aleaciones metálicas (> 500 oC). En un sistema CSP integrado a PCM, el PCM se calienta y se almacena en un contenedor aislante durante las horas de menor actividad. Cuando se necesita la energía almacenada, el PCM se bombea a un generador de vapor que hierve agua, hace girar una turbina y genera electricidad. Una vez enfriado, el PCM se bombea de nuevo hacia el tanque de almacenamiento para calentarse y reutilizarse. En todas estas aplicaciones, la velocidad de carga y descarga del PCM es esencial para la viabilidad de la aplicación comercial, que a su vez depende de la conductividad térmica del PCM.
