Aplicación para materiales de cambio de fase (PCMs)

Durante las últimas décadas, el almacenamiento térmico es un tema que ha suscitado un gran interés debido a que posibilita el aprovechamiento de la energía residual, aumenta la inercia térmica en edificios, además de hacer que algunas energías renovables sean gestionables. En cualquier sistema de almacenamiento, el factor más crítico es siempre el medio en el cual se almacena el calor. Dicho calor puede ser almacenado a través de tres mecanismos principalmente: mediante un cambio de temperatura (calor sensible), mediante un cambio de fase (calor latente) o mediante una reacción química (termoquímico). Para que un determinado material sea considerado como medio de almacenamiento, no solo debe tener unas propiedades termofísicas adecuadas en el rango de temperaturas de la aplicación sino que, además, dichas propiedades no tendrían que variar de forma significativa a lo largo de la vida de servicio del sistema. Por tanto, la estabilidad a largo plazo de los medios de almacenamiento térmico es una cuestión prioritaria que debería ser analizada en profundidad a la hora de desarrollar cualquier tipo de sistema de almacenamiento pues de ella depende que dicho sistema funcione de forma adecuada a lo largo de su vida útil.

Desde los años 80 han sido muchos los estudios que se han llevado a cabo sobre la estabilidad a largo plazo de medios de almacenamiento, especialmente dentro del campo de los materiales utilizados en almacenamiento de calor latente, también denominados PCMs por sus siglas  en inglés, “phase change materials”. Esto es debido a la gran cantidad de PCMs que en principio son adecuados para aplicaciones en un rango muy amplio de temperaturas (entre 0 °C y 800 °C). Estos materiales van desde las sales hidratadas y compuestos orgánicos -como alcoholes azucarados, parafinas, ácidos grasos, polímeros, etc.- para aplicaciones por debajo de 200 °C; hasta sales anhidras y metales para almacenamiento a temperaturas más altas. La mayoría de estos PCMs sufren transiciones sólido-líquido si bien algunos de ellos pueden almacenar calor latente mediante transiciones sólido-sólido o líquido-líquido.

A pesar de la gran cantidad de potenciales aplicaciones, la implantación comercial de los sistemas de almacenamiento en calor latente es difícil debido a la falta de PCMs validados. La mayoría de los estudios que se encuentran en la literatura cuyo objetivo es evaluar la fiabilidad de los PCMs como medios de almacenamiento de calor latente focalizan su atención en el ciclado térmico. Cuando se analizan dichos estudios, lo que se observa es una gran dispersión en las condiciones de ensayo, no solo en relación con el dispositivo experimental utilizado sino también con los intervalos de temperatura y, sobretodo, con el número de ciclos realizados. Por otro lado, en muchos de esos estudios, los ciclos térmicos son considerados como ensayos “acelerados”, por lo que los autores establecen correlaciones entre el número de ciclos y el tiempo de operación real sin ninguna justificación previa. Sin embargo, este tipo de ensayos no cumple con los requisitos de ensayos acelerados claramente establecidos en otras ramas de la ciencia y la tecnología para la validación de materiales utilizados en distintos tipos de aplicaciones. Por tanto los resultados de los ciclos térmicos no pueden ser extrapolados para predecir el funcionamiento de un PCM a largo plazo en condiciones reales de operación.

En Unidad de Almacenamiento Térmico y Combustibles Solares (ATYCOS) del CIEMAT creemos que este tipo confusiones ocurren porque a día de hoy no existe todavía un protocolo de ensayo específico para validar materiales de almacenamiento térmico, en general, ni para PCMs, en particular. Por eso, cada autor aplica su propio criterio, no solo para los procedimientos de ensayo sino para, a partir del número de ciclos, predecir el comportamiento de los materiales a largo plazo en condiciones reales. Así pues desde la Unidad ATYCOS del CIEMAT surge la iniciativa de desarrollar una metodología que permita la validación de medios de almacenamiento, centrando la atención en los materiales de cambio de fase o PCMs.

La metodología de validación desarrollada se muestra en la Figura 1.

Esta metodología consiste en una serie de etapas que deberían conducir a la validación de un determinado PCM para una aplicación determinada. En ella se incluyen los distintos pasos que se deberían seguir para dicha validación, como son la caracterización del PCM, los ensayos preliminares de estabilidad y los ensayos acelerados. En el artículo se discuten, además, los ensayos que se podrían realizar en los distintos pasos así como conceptos claves de la metodología: propiedades de control, condiciones de servicio, factores de degradación y modelos de vida útil.

La estabilidad a largo plazo y el rendimiento a largo plazo de los medios de almacenamiento térmico son un tema clave que debe analizarse a fondo al desarrollar sistemas de almacenamiento. Sin embargo, hasta el momento no existe ningún protocolo o guía de prueba para validar los medios de almacenamiento, por lo que los autores aplican sus propios criterios, no solo para diseñar procedimientos de prueba, sino también para predecir el comportamiento del material en operación a largo plazo.  Se deben obtener modelos de relación de vida útil para predecir el comportamiento a largo plazo de PCM en condiciones de servicio a partir de pruebas más cortas realizadas en condiciones de estrés.