Aplicación para materiais de cambio de fase (PCMs)

Durante as últimas décadas, o almacenamento térmico é un tema que suscitou un gran interese debido a que posibilita o aproveitamento da enerxía residual, aumenta a inercia térmica en edificios, ademais de facer que algunhas enerxías renovables sexan xestionables. En calquera sistema de almacenamento, o factor máis crítico é sempre o medio no cal se almacena a calor. Devandita calor pode ser almacenada a través de tres mecanismos principalmente: mediante un cambio de temperatura (calor sensible), mediante un cambio de fase (calor latente) ou mediante unha reacción química (termoquímico). Para que un determinado material sexa considerado como medio de almacenamento, non só debe ter unhas propiedades termofísicas adecuadas no rango de temperaturas da aplicación senón que, ademais, ditas propiedades non terían que variar de forma significativa ao longo da vida de servizo do sistema. Por tanto, a estabilidade a longo prazo dos medios de almacenamento térmico é unha cuestión prioritaria que debería ser analizada en profundidade á hora de desenvolver calquera tipo de sistema de almacenamento pois dela depende que devandito sistema funcione de forma adecuada ao longo da súa vida útil.

Dende os anos 80 foron moitos os estudos que se levaron a cabo sobre a estabilidade a longo prazo de medios de almacenamento, especialmente dentro do campo dos materiais utilizados en almacenamento de calor latente, tamén denominados PCMs polas súas siglas  en inglés, “phase change materials”. Isto é debido á gran cantidade de PCMs que en principio son adecuados para aplicacións nun rango moi amplo de temperaturas (entre 0 °C e 800 °C). Estes materiais van desde as sales hidratadas e compostos orgánicos -como alcois azucrados, parafinas, ácidos graxos, polímeros etc.- para aplicacións por baixo de 200 °C; ata sales anhidras e metais para almacenamento a temperaturas máis altas. A maioría destes PCMs sofren transicións sólido-líquido aínda que algúns deles poden almacenar calor latente mediante transicións sólido-sólido ou líquido-líquido.

A pesar da gran cantidade de potenciais aplicacións, a implantación comercial dos sistemas de almacenamento en calor latente é difícil debido á falta de PCMs validados. A maioría dos estudos que se atopan na literatura cuxo obxectivo é avaliar a fiabilidade dos PCMs como medios de almacenamento de calor latente focalizan a súa atención no ciclado térmico. Cando se analizan devanditos estudos, o que se observa é unha gran dispersión nas condicións de ensaio, non só en relación co dispositivo experimental utilizado senón tamén cos intervalos de temperatura e, abrigo, co número de ciclos realizados. Doutra banda, en moitos deses estudos, os ciclos térmicos son considerados como ensaios “acelerados”, polo que os autores establecen correlacións entre o número de ciclos e o tempo de operación real sen ningunha xustificación previa. Con todo, este tipo de ensaios non cumpre cos requisitos de ensaios acelerados claramente establecidos noutras ramas da ciencia e a tecnoloxía para a validación de materiais utilizados en distintos tipos de aplicacións. Por tanto os resultados dos ciclos térmicos non poden ser extrapolados para predicir o funcionamento dun PCM a longo prazo en condicións reais de operación.

En Unidade de Almacenamento Térmico e Combustibles Solares (ATYCOS) do CIEMAT cremos que este tipo confusións ocorren porque a día de hoxe non existe aínda un protocolo de ensaio específico para validar materiais de almacenamento térmico, en xeral, nin para PCMs, en particular. Por iso, cada autor aplica o seu propio criterio, non só para os procedementos de ensaio senón para, a partir do número de ciclos, predicir o comportamento dos materiais a longo prazo en condicións reais. Así pois dende a Unidade ATYCOS do CIEMAT xorde a iniciativa de desenvolver unha metodoloxía que permita a validación de medios de almacenamento, centrando a atención nos materiais de cambio de fase ou PCMs.

A metodoloxía de validación esenvolta móstrase na Figura 1.

Esta metodoloxía consiste nunha serie de etapas que deberían conducir á validación dun determinado PCM para unha aplicación determinada. Nela inclúense os distintos pasos que se deberían seguir para a devandita validación, como son a caracterización do PCM, os ensaios preliminares de estabilidade e os ensaios acelerados. No artigo discútense, ademais, os ensaios que se poderían realizar nos distintos pasos así como conceptos chaves da metodoloxía: propiedades de control, condicións de servizo, factores de degradación e modelos de vida útil.

A estabilidade a longo prazo e o rendemento a longo prazo dos medios de almacenamento térmico son un tema chave que debe analizarse a fondo ao desenvolver sistemas de almacenamento. Con todo, ata o momento non existe ningún protocolo ou guía de proba para validar os medios de almacenamento, polo que os autores aplican os seus propios criterios, non só para deseñar procedementos de proba, senón tamén para predicir o comportamento do material en operación a longo prazo.  Débense obter modelos de relación de vida útil para predicir o comportamento a longo prazo de PCM en condicións de servizo a partir de probas máis curtas realizadas en condicións de estrés.