Los Materiales de Cambio de Fase (PCM) están llamados a ser uno de los actores más importantes para la consolidación del almacenamiento térmico como solución para la electrificación del sector industrial y residencial.

Es ya una realidad palpable para todos que la transición energética es una prioridad a nivel mundial por la cual los sectores de transporte, industria y edificios tendrán que utilizar más energía renovable. La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA, por sus siglas en inglés) da las claves de esta transición en su informe anual World Energy Outlook (WEO) 2018: predominio de las energías renovables y eficiencia energética.

En este sentido, el sector eléctrico está aumentando su porcentaje de renovables, por lo que será el principal vector energético en esta transición. Aparte del sector del transporte, el cual tiene el foco puesto desde hace unos años en la electrificación del parque móvil, los sectores industrial y residencial son puntos claves para llevar a cabo esta transición energética. La presencia de renovables como fuente de energía en ambos sectores se encuentra aún por debajo de los niveles necesarios, por lo que es vital impulsar su electrificación. El uso directo de energías renovables como la solar térmica y el aumento de la eficiencia energética serían el complemento ideal para llegar hasta donde la electrificación no puede.

Tanto para la electrificación de estos sectores, como para el uso directo de energía solar térmica o el incremento de eficiencia energética, el almacenamiento térmico aparece como un pilar básico. Este almacenamiento térmico permite, entre otras cosas, mejorar la flexibilidad de la red eléctrica, superar el escollo de la intermitencia de las energías renovables, como la solar térmica, o aprovechar el calor residual en procesos industriales.

Uno de los mayores desafíos para impulsar la incursión del almacenamiento térmico en el mercado radica en el desarrollo de sistemas versátiles, con una considerable mayor densidad de almacenamiento térmico que los actuales, sobre todo en aplicaciones donde el espacio es limitado, y todo ello con un coste contenido. Para este fin los sistemas de almacenamiento térmico basados en materiales de cambio de fase (PCMs) son una alternativa interesante.

Los PCMs permiten almacenar gran cantidad de energía térmica (en forma de calor latente) gracias a sus cambios de fase (sólido-líquido o sólido-sólido) manteniendo una temperatura constante durante el proceso de transición. Estos sistemas ofrecen una densidad de almacenamiento mucho mayor con un rango de temperatura más estrecho entre el almacenamiento y la liberación de calor que los basados en calor sensible, como los tanques de agua, predominantes en muchas de las actuales aplicaciones centradas en los edificios. Debido a estas propiedades los PCMs pueden ser empleados como materiales termorreguladores o bien como almacenadores de calor para rangos estrechos de temperatura.

PCMs en edificios

Del total de consumo de energía en el sector residencial en España el 42% es destinado a calefacción y el 27% al aire acondicionado, mientras que en la Unión Europea estos consumos representan un 64% y un 15 % respectivamente. De esta manera, el empleo de PCMs en este sector contribuye de una manera significativa a la reducción del consumo total de energía. En relación a su aplicación en edificios, los sistemas de almacenamiento térmico basados en PCMs pueden clasificarse como sistemas pasivos o sistemas activos.

En los sistemas pasivos los PCMs suelen ser incorporados en los propios elementos de construcción, como en paneles de yeso, espumas de poliuretano, hormigón o cemento. Estos elementos tienen principalmente una función termorreguladora, evitando que las habitaciones se sobrecalienten durante el día en los meses cálidos o reduciendo la necesidad de calefacción durante la noche en el invierno. Los sistemas pasivos pueden ser combinados con los activos para aumentar su efectividad, favoreciendo así la carga y descarga completa de los PCMs.

Este tipo de soluciones están presentes en CIC energiGUNE, formando parte del proyecto NRG-Storage, donde se aspira a reemplazar los actuales materiales utilizados en la envolvente de los edificios por una novedosa espuma cementosa, ultraligera y no inflamable, que permita el almacenamiento activo y pasivo de energía.  Se trata de una opción “verde” altamente innovadora que combina la utilización de material no inflamable y ultraligero con materiales de base biológica para dar lugar a una espuma cementosa multifuncional, denominada espuma NRG.

CIC energiGUNE está particularmente involucrado en la caracterización de todos los ingredientes de los compuestos de este innovador material (pasta de cemento dopada con nanopartículas de grafeno y material de cambio de fase microencapsulado) permitiendo lograr el mejor encaje entre las propiedades de aislamiento térmico y la capacidad de almacenamiento de calor. La siguiente imagen muestra un esquema conceptual del material desarrollado en el marco de este proyecto, así como las microcápsulas empleadas en el dopaje de la espuma.

A diferencia de los pasivos, en los sistemas activos los PCMs se encuentran integrados en sistemas de recuperación de calor, sistemas de calefacción del suelo o bombas de calor. Este último caso cobra especial interés en la electrificación de este sector, siendo hoy en día el medio más eficiente de convertir la electricidad en calor. Las bombas de calor son la próxima gran familia de tecnologías de calefacción y refrigeración que se espera que se extiendan masivamente en el sector. Su combinación con sistemas de almacenamiento térmico es una forma rentable de mejorar la flexibilidad de la red eléctrica.

En estos métodos activos podemos encontrar multitud de aplicaciones con temperaturas que van desde los 30ºC hasta los 90ºC, cada una de la cual precisa de un PCM específico con una determinada temperatura de cambio de fase. De esta manera cada uno de los sistemas o aplicaciones requieren de un proceso de optimización individualizado para seleccionar el PCM apropiado. En la actualidad la mayor parte de los PCMs empleados en estos rangos de temperaturas son parafinas, ácidos grasos o sales hidratadas con cambios de fase sólido-líquido, siendo necesario buscar el compuesto específico que mejor se ajuste a cada aplicación. Por lo tanto, el desarrollo de PCMs más versátiles facilitaría la incorporación al mercado de los sistemas de almacenamiento térmico basados en calor latente.

Para impulsar esta integración en el mercado, en CIC energiGUNE desarrollamos soluciones eficaces y económicas de almacenamiento ultracompacto de energía térmica, a nivel de materiales, prototipos y sistemas. Un ejemplo de estos sistemas son los basados en los denominados Cristales Plásticos, un tipo especial de PCM con transiciones de fase sólido-sólido. Los Cristales Plásticos presentan un rango de temperaturas de almacenamiento desde los 30 ºC hasta los 190 ºC, con calores latentes inusualmente elevados. Sus mezclas binarias y ternarias dan lugar a nuevos PCMs sólidos con propiedades de almacenamiento de energía “a la carta”, permitiendo ajustar la transición de fase del sistema al rango deseado.

El siguiente esquema muestra el funcionamiento de estos desarrollos. Además de poder ajustar su temperatura de trabajo, estos PCMs pueden ser combinados con otros PCMs sólido-líquido para aumentar su capacidad de almacenamiento térmico.

Imágenes y microestructura de los materiales en desarrollo: estos materiales se encuentras dopados con distintas partículas conductoras que permiten aumentar su potencia de carga/descarga.

En comparación con los actuales tanques de agua empleados en el sector doméstico, estos desarrollos podrían reducir hasta 2-3 veces el tamaño del tanque. La posibilidad de adaptar la temperatura de trabajo de una manera sencilla confiere a estos compuestos la versatilidad solicitada por el mercado, e igualmente, sus transiciones sólidas permiten usar estos composites en contacto directo con el fluido caloportador, prescindiendo del intercambiador de calor dentro del tanque almacenador, y disminuyendo así drásticamente los costes del dispositivo.

PCMs en la industria

El amplio abanico de temperatura de trabajo de estos materiales (<190ºC) permite igualmente extender su uso al sector industrial. Dado que el calor de baja y media temperatura representa el 45% del uso total de calor en procesos industriales, el almacenamiento de energía térmica por sí solo, o su combinación con bombas de calor o tecnología ORC (Organic Rankine Cycle) tienen un potencial significativo para contribuir a la descarbonización del sector.

En CIC energiGUNE trabajamos en el desarrollo de soluciones de almacenamiento de energía térmica innovadoras y rentables que cumplen con los exigentes requisitos industriales. Así los materiales desarrollados basados en Cristales Plásticos permitirían no sólo disponer de dispositivos más compactos, sino también con una rápida respuesta y una alta potencia de carga/descarga para atender las demandas pico de calor y la puesta en marcha de los procesos. Además, el desarrollo de recubrimientos para permitir el contacto directo de estos materiales con los principales fluidos caloportadores permitiría igualmente su empleo en aplicaciones de generación de vapor de agua, servicio auxiliar muy demandado en el sector industrial.

En definitiva, los Materiales de Cambio de Fase (PCM) que se desarrollan en CIC energiGUNE, no solo tienen un impacto positivo en el consumidor final con dispositivos más compactos y económicos que favorecen una reducción significativa de la factura energética en el sector residencial, sino también en la industria donde satisfacen los exigentes procesos heat-to-power de una manera innovadora y rentable.