Materiales inteligentes para la conversión y almacenamiento de energía

El consumo energético mundial aproximado se encuentra en 18.5 TW  por año [1], donde se estima que para el año 2040 la demanda se incremente a 30 TW [2]. Las reservas limitadas de combustibles fósiles y la preocupación por la emisión de gases de efecto invernadero, nos han llevado a la búsqueda de nuevas tecnologías alternativas. En particular, la energía solar es la fuente de energía más abundante y disponible, conocida hoy en día. Anualmente, la tierra recibe hasta 23,000 TW de energía solar [1]. Si tan solo utilizaramos un 0.08% de esa energía, se podría abastecer completamente la demanda energética mundial.

La conservación de la energía en forma térmica, producida a partir de todas sus formas de energía (solar, eléctrica, mecánica, química, etc.), puede ser lograda y aprovechada mediante su almacenamiento con un sistema reversible capaz de almacenar y liberar la energía de forma térmica. Sin duda, la energía solar es nuestro mayor recurso de energía renovable.

Formas de conversión de la energía solar a térmica

En general, existen dos métodos para la conversión y almacenamiento de energía solar y térmica [3]:

• El almacenamiento de calor sensible, el cual consiste en el incremento de temperatura de un sólido o líquido por consecuencia del calor específico del medio, mediante mecanismos de absorción de calor como radiación, convección y conducción, sin que el medio llegue a producir un cambio de fase. Algunos de estos ejemplos son los materiales convencionales de construcción como los ladrillos de adobe.
   
• El método de almacenamiento de calor latente, el cual se basa en el almacenamiento de energía térmica en un medio, sin producir cambios en su temperatura durante un cambio de fase, tales como fusión (sólidoÞlíquido), solidificación (líquidoÞsólido), transformaciones de fase cristalinas, vaporización (líquidoÞgas) y sublimación (sólidoÞgas). Dentro de los sistemas de almacenamiento de calor latente se encuentran los materiales de cambio de fase (conocidos como PCMs), como tecnologías alternativas sustentables para el aprovechamiento de la energía solar y excedentes de energía térmica.

QUÉ SON LOS MATERIALES DE CAMBIO DE FASE

Los materiales de cambio de fase son materiales inteligentes que tienen la capacidad de convertir la energía solar en energía térmica, almacenándola y liberándola de forma reversible mediante el calor latente (cambio de fase). Además, son capaces de almacenar la energía térmica del entorno que lo rodea (energía en exceso o desperdicio), lo que permite aprovecharla en distintas aplicaciones.

Los materiales de cambio de fase pueden clasificarse de acuerdo con su tipo de transición y tipo de material (Figura 1). En particular, los materiales con cambios de fase sólidoÛlíquido o sólidoÛsólido han sido los más utilizados, dado que cumplen con las principales características físicas, químicas y cinéticas que debe tener un PCM respecto a las otras transiciones de fase (ej. vaporización, sublimación) [4]. Dentro de las principales caracteristicas se encuentran:

• Alta capacidad de almacenamiento de energía en forma de calor. Es decir, debe ser capaz de almacenar y conservar el calor para poder disponer de este más tarde. Por ejemplo, en un calentador solar, el PCM debe almacenar el excedente de calor para así poder mantener la temperatura cálida del agua durante la noche, y poder disponer de agua caliente a la mañana siguiente.
• Alta conductividad térmica. El material debe ser capaz de absorber y liberar de forma rápida el calor almacenado.
   
• Estabilidad de forma con mínimos cambios de volumen al pasar de un estado a otro. Un PCM debe ser capaz de conservar su forma y volumen al momento del almacenamiento y liberación de la energía. Por ejemplo, como componente en un material de construcción, este material no debe presentar expansión o contracción para así evitar la formación de grietas o daños en la estructura.
   
• Fusión congruente y reversibilidad. El material debe presentar siempre, en todos los ciclos térmicos de conversión-almacenamiento-liberación, el mismo intervalo de temperatura en el que ocurre el cambio de fase.

MATERIALES DE CAMBIO DE FASE A PARTIR DE MATERIALES ORGÁNICOS

Los materiales de cambio de fase orgánicos presentan un gran interés en su aplicación, dado que pueden satisfacer las demandas de energía en aplicaciones de uso cotidiano donde se requiere la operación de sistemas a temperaturas entre 0-100 °C. Estos materiales encuentran aplicación principalmente en los sectores de la construcción, textil, salud, alimenticio, electrónico, automotriz y otros campos emergentes (Figura 2).

El sector de mayor aplicación para los PCMs orgánicos es el sector de la construcción, donde estos materiales son incorporados en formulaciones de yeso, concreto y losetas,  con el objetivo de proporcionar un equilibrio térmico en lugares con cambios de clima drásticos (tales como zonas desérticas), reduciendo los costos energéticos en el consumo de aire acondicionado [4]. Los materiales PCMs orgánicos mas utilizados en este sector son parafinas, polietilenglicol (PEG) y sales hidratadas, las cuales presentan una transición de fase entre 15-90 °C.

En el área textil, los PCMs se incorporan en las fibras de las prendas de vestir, como barrera térmica para mantener la temperatura corporal en equilibrio [5]. Por lo general, se utilizan materiales tales como sales hidratadas, ácidos grasos, hidrocarburos de cadena larga (tales como parafinas) y polietilenglico (PEG), los cuales presentan baja toxicidad y con un intervalo de temperatura de transición de fase de entre 15-35 °C, o dependiendo a las condiciones en las que está impuesta la prenda. Recientemente, los PCMs han sido incorporados en autopartes, tales como componentes de baterias, asientos y tableros, con el objetivo de mantener una temperatura de confort para los pasajeros [6].

TENDENCIAS EN EL DESARROLLO DE MATERIALES DE CAMBIO DE FASE ORGÁNICOS

Los materiales de cambio de fase a partir de sistemas orgánicos, tales como parafinas, ácidos grasos y polímeros como el PEG, están siendo ampliamente utilizados debido a su alta disponibilidad, procesabilidad y baja toxicidad; además de ser materiales biodegradables y de bajo costo. Sin embargo, presentan dos desventajas significativas que limitan un mayor desempeño como material de cambio de fase:

• Baja conductividad térmica, la cual implica una velocidad baja para la absorción y liberación de calor.
• Cambios de volumen o escape del líquido durante su cambio de estado, impidiendo que los procesos sean reversibles.

Sin embargo, se han estado desarrollando estrategias que permitan superar estas desventajas. Dentro de las estrategias sobre las cuales se han venido desarrollando innovaciones se encuentran:

• La microencapsulación del PCM en matrices poliméricas. Esta estrategia permite que durante la etapa de transición de fase sólidoÞlíquido, se evite el escape del material fundido.
• Incorporación de diferentes nanomateriales conductores tales como nanoestructuras de grafeno, los cuales le confieren alta conductividad térmica y estabilidad de forma al sistema fundido.

Con el objetivo de evitar cambios de volumen o escape de líquido, se han desarrollado sistemas PCMs microencapsulados con polímeros orgánicos, mediante tecnologías como polimerización en emulsión y secado por atomización [7]. Por otra parte, debido a las sorprendentes propiedades térmicas de las nanoestructuras de grafeno, estos nanomateriales están siendo incorporados a materiales de cambio de fase orgánicos, mejorando su estabilidad de forma e incrementando hasta en un 40% la cantidad de calor almacenado [8]. La Figura 3 muestra las tecnologías mas utilizadas para la microencapsulación de PCMs, así como una prueba de su estabilidad de forma (la “forma del fundido”).

En México, han sido pocas las innovaciones dirigidas al desarrollo de PCMs orgánicos, como estrategia para el aprovechamiento de la energía solar. Cerca del 65% del territorio mexicano está clasificado como zona árida, caracterizado por la escasez de agua y la alta radición solar. Por tanto, el aprovechamiento de la energía solar es un tema de interés no solo ecológico, sino también, una oportunidad de negocios para el desarrollo de tecnologías limpias que permitan su aprovechamiento de forma sustentable.

El Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) en conjunto con el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG) están desarrollando nuevas tecnologías para la obtención de PCMs con una mayor capacidad de conversión de energía solar a térmica, además de mejoradas propiedades de estabilidad de forma. Lo anterior, a partir de plataformas tecnológicas y sistemas de polímeros sustentables de bajo costo.

Agradecimientos

Al proyecto CONACyT No. 293371 en apoyo a la continuidad del Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos. Al proyecto COECyT No. COAH-2017-C12-C01 para el desarrollo de biomateriales de cambio de fase.

Referencias

[1]      M. Perez and R. Perez, Natural Gas, vol. 62, no. 1, pp. 2–5, 2015.

[2]      CEMAER, “Consumo energético mundial”, 2010.

[3]      K. Pielichowska and K. Pielichowski, Prog. Mater. Sci., vol. 65, pp. 67–123, 2014.

[4]      D. Zhou et. al., Appl. Energy, vol. 92, pp. 593–605, 2012.

[5]      S. Mondal, Appl. Therm. Eng., vol. 28, pp. 1536–1550, 2008.

[6]  Y. Zhou, et. al., Appl. Therm. Eng., https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.083, 2018.

[7]      A. Jamekhorshid, et. al., Renew. Sust. Energ. Rev., vol. 31, pp. 531-542, 2014.

 [8]     C. Amaral, et. al., Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 79, no. May, pp. 1212–1228, 2017.