En los próximos años, será necesario buscar soluciones novedosas más eficientes, limpias y versátiles para una rápida transición energética. Entre estas soluciones el almacenamiento de energía térmica y la captación de energía son claramente dos de los procesos más destacados y con mayor proyección de futuro. Sin embargo, el progreso y viabilidad de estos procesos conlleva un adecuado y preciso conocimiento del comportamiento termodinámico de los sistemas y materiales empleados bajo diversas condiciones operativas.

El comportamiento termodinámico de materiales, posiblemente, nos retrotraiga a nuestros años de estudiantes en el instituto cuando el profesor se empeñaba en hacernos comprender la ecuación de los gases ideales (PV=nRT). Esta ecuación es lo que se conoce como ecuación de estado, es decir, una ecuación que nos permite describir un sistema completamente mediante la relación de diferentes variables, las cuales son llamadas variables de estado.

Así, por ejemplo, en la ecuación de los gases ideales se relacionan densidades (volumen) de gases con temperaturas y presiones. Afortunadamente para nosotros, y posiblemente para el profesor, la ecuación de los gases ideales, termodinámicamente hablando, es sencilla, pero solo se aplica al caso ideal de un gas. Por ello, es más precisa para gases monoatómicos (gases nobles) o gases diatómicos homonucleares (como el oxígeno O₂ o nitrógeno N₂) a bajas presiones y temperaturas moderadas ya que para un gas ideal no se tienen en cuenta las interacciones intermoleculares. Y además, esta ecuación del gas ideal no se puede aplicar al cambio de fase, es decir a la condensación del gas en líquido.

Aunque las ecuaciones de estado son de gran utilidad, actualmente no disponemos de una ecuación global que prediga el comportamiento de cualquier substancia bajo todas las condiciones posibles. Y es, en este momento, donde la investigación y la experimentación se vuelven imprescindibles para poder caracterizar e intentar predecir el comportamiento de materiales, mezclas o sistemas bajo diferentes condiciones termodinámicas. Por ello, entre otras instalaciones, en CIC energiGUNE, para estudiar el comportamiento de diferentes sistemas en un amplio rango de condiciones, se dispone de equipamientos de fabricación propia, tales como dos equipos PVT para líquidos y un dispositivo para gases a presión.

Los equipos PVT se componen de un módulo Nemesys de CETONI para poder controlar presión (hasta un máximo de 80 MPa) y volumen, conectados a una celda donde las muestras son colocadas. En esta celda se puede controlar la temperatura mediante un intercambiador de calor o una camisa térmica con los que se logra cubrir un rango desde -20 ºC hasta 250 ºC.

De esta forma, en CIC energiGUNE somos capaces de investigar el comportamiento termodinámico de los sistemas mediante diferentes variables de estado, tales como presión (P), volumen (V) y temperatura (T). Por ejemplo, los equipos PVT nos permiten llevar a cabo experimentos en diversas condiciones siendo las más características, las condiciones isocoras -donde se mantiene el volumen constante-, isobáricas -donde es la presión la que se mantiene constante- e isotermas -donde esta vez es la temperatura la que permanece constante-. Con estos experimentos somos capaces de caracterizar nuestros sistemas mediante diferentes parámetros. Los más relevantes, dependiendo de si el tipo de experimento es isotermo, isobaro o isocoro, son el coeficiente de compresibilidad isoterma, la dilatación térmica isobárica y el coeficiente de tensión isocórica respectivamente.

Como ejemplo de ensayos de caracterización termodinámica, en CIC energiGUNE, realizamos ensayos isobaros (presión constante) de materiales de cambio de fase (PCMs) donde se investiga cómo cambia la temperatura a la que ocurre la transición de fase dependiendo de la presión a la que se someta el PCM.

Curvas isobáricas donde se observa una variación en la temperatura a la que ocurre el cambio de pase durante el enfriamiento de un PCM.

Además de estos ensayos de caracterización termodinámica, los equipos PVT pueden ser usados para otros ensayos en los que intervienen la presión y la temperatura, tales como ensayos de electrificación. Bajo las mismas condiciones que los ensayos de caracterización (es decir, isobáricas, isotérmicas e isocóricas), se puede investigar la generación de electricidad para diferentes materiales y sistemas como tribo-generadores, piezo-generadores, baterías y supercondensadores.

Por ejemplo, en CIC energiGUNE, actualmente se llevan a cabo ensayos isotérmicos de sistemas heterogéneos liofóbicos en el marco del proyecto Electro-Intrusion (FET-PROACTIVE del programa marco Horizon 2020), el cual busca transformar en electricidad las vibraciones (energía mecánica disipada) y el calor residual (energía térmica disponible) y desarrollar métodos convenientes para captarla eficazmente. Estos sistemas heterogéneos liofóbicos, que se componen de matriz porosa y un líquido que no moja la matriz, se someten a presiones para simular compresión y descomprensión mecánica durante las vibraciones y, de esta forma, producir electricidad durante la intrusión/extrusión del líquido en la matriz porosa mediante la nanotriboelectrificación.

Para terminar, actualmente la unidad para gases a presión del CIC energiGUNE se está empleando como reactor de CO₂ supercrítico (P ≥ 7,38 MPa y T ≥ 31,1 ºC) para llevar a cabo tratamientos en muestras metálicas con el fin de modificar sus propiedades superficiales. En concreto, nos centramos en conseguir superficies superhidrofóbicas que son empleadas en diferentes aplicaciones, tales como reducir el daño por corrosión en entornos proclives a ello o producir intercambiadores de calor más eficientes.

Gracias al equipamiento y el conocimiento de nuestros investigadores, desde CIC energiGUNE podemos realizar ensayos avanzados de caracterización termodinámica y electrificación, que nos permiten desarrollar y optimizar los sistemas de almacenamiento térmico y la captación de energía que favorecen la transición energética hacia un futuro más limpio y eficiente.