El almacenamiento de energía solar es tan importante como su captura si queremos eliminar nuestra dependencia de los combustibles fósiles. El almacenamiento de energía solar en forma térmica está siendo investigado activamente debido a sus múltiples ventajas. Las técnicas de almacenamiento térmico de energía solar se pueden clasificar en dos categorías: almacenamiento como calor sensible y almacenamiento como calor latente.
Calor latente y calor sensible
El calor latente significa oculto. Se contrasta con el calor sensible. El calor sensible es el tipo que podemos sentir o percibir en términos de temperatura. Los cuerpos se calientan cuando absorben energía calorífica, al igual que el agua se calienta bajo el sol. Por otro lado, cuando el agua a 100˚C se convierte en vapor a 100˚C (sin cambio de temperatura), se absorbe una gran cantidad de calor en este proceso. Esto se conoce como calor latente del vapor. Este tipo de cambio de fase a menudo implica una cantidad mucho mayor de energía de calor latente que la energía de calor sensible necesaria para aumentar la temperatura. Por ejemplo, el calor latente del vapor (para una masa dada) es aproximadamente 137 veces el calor sensible necesario para elevar la temperatura de la misma masa de agua en 1˚C.
Materiales de cambio de fase
El almacenamiento de calor de cambio de fase funciona a temperaturas relativamente más bajas que el almacenamiento de calor sensible e implica una temperatura constante o muy poco cambio. Son muy adecuados para la estabilización de la temperatura. Un cambio de fase por encima de la temperatura ambiente almacenará calor y se liberará más tarde. Un cambio de fase por debajo de la temperatura ambiente almacenará frío. Por lo tanto, son relevantes para las operaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés). El almacenamiento de calor puede ser en almacenes independientes aislados de calor y frío. Alternativamente, y de manera más popular, el almacenamiento de calor se puede integrar en la estructura del edificio mediante la incorporación de materiales de cambio de fase en cemento, concreto y otros materiales de construcción. El uso en edificios contribuye a un ambiente más limpio.
Clasificación de los materiales de cambio de fase
- Materiales de cambio de fase inorgánicos: Los materiales de cambio de fase inorgánicos fueron los favoritos más antiguos en la búsqueda de almacenamiento de energía de cambio de fase. Además del agua y el hielo, los materiales de cambio de fase inorgánicos más comunes son los hidratos de sal. Estos materiales son comúnmente disponibles, de bajo costo y no inflamables. Tienen un alto calor latente, lo que significa un mayor almacenamiento de densidad de energía. Las desventajas incluyen corrosión, tendencia a la sobreenfriamiento (lo que reduce el almacenamiento), solidificación inadecuada e inestabilidad a largo plazo. Estas desventajas se pueden reducir mediante la adición de pequecentajes de materiales adecuados de gelificación o espesamiento.
- Materiales de cambio de fase orgánicos: Los materiales de cambio de fase orgánicos incluyen parafina y ácidos grasos. Tienen una mejor estabilidad química y no sufren el efecto de sobreenfriamiento. Se integran mejor con los materiales de construcción. El costo inicial es mayor que los materiales inorgánicos, pero los costos de instalación son comparables. Sin embargo, los materiales de cambio de fase orgánicos son inflamables y pueden generar humos nocivos en caso de incendio. Algunos de ellos sufren cambios de volumen con el tiempo, mal olor, envejecimiento oxidativo termoquímico y reacción con los productos de hidratación del concreto.
Acumuladores de vapor
Tanto el calor latente como el calor sensible se almacenan en acumuladores de vapor, que son tanques de alta presión que contienen vapor sobrecalentado y agua. Alimentar energía al depósito aumenta el porcentaje de vapor y aumenta la presión. La extracción de energía enfriará el vapor y lo convertirá en agua, disminuyendo la presión. Trabajan en conjunto con las calderas en una planta de generación de vapor y son muy útiles en la reducción de la demanda máxima debido a su capacidad de reacción instantánea.
Almacenamiento de hielo
La conversión de agua en hielo también almacenará energía en el punto de congelación (0˚C). El hielo se derretirá para proporcionar enfriamiento. Esto puede ser útil en la climatización de edificios y en el almacenamiento en frío de frutas y verduras. Un dato interesante es que, en medio de una hambruna, Brigham Young, del actual estado de Utah, utilizó un lago congelado para almacenar carne para su tribu al conducir su ganado al lago hasta que se congelaran.
Almacenamiento de calor latente a altas temperaturas: aleaciones metálicas
El almacenamiento de calor latente a altas temperaturas implica el uso de aleaciones metálicas. Estas aleaciones son capaces de almacenar grandes cantidades de calor latente a temperaturas elevadas. Sin embargo, este tipo de almacenamiento de energía térmica es más complejo y requiere mayores temperaturas para su aplicación.
El almacenamiento de calor latente de energía solar es una tecnología prometedora que permite la conservación de energía y aumenta la eficiencia general de los sistemas al eliminar las diferencias entre la oferta y la demanda de energía. Los materiales de cambio de fase, como los PCMs, son una solución adecuada para el almacenamiento de energía térmica latente. Sin embargo, cada tipo de PCM tiene sus propias ventajas y desventajas, por lo que es importante seleccionar el material adecuado para cada aplicación específica. A medida que avanza la investigación en este campo, es probable que veamos avances significativos en el almacenamiento de energía solar y en la transición hacia un futuro más sostenible y libre de combustibles fósiles.
Consultas habituales
¿Cuál es la diferencia entre calor latente y calor sensible?
El calor sensible es el tipo de calor que se puede sentir o percibir en términos de temperatura. Por otro lado, el calor latente implica un cambio de fase sin un cambio significativo en la temperatura. Por ejemplo, cuando el agua se evapora y se convierte en vapor, se absorbe una gran cantidad de calor latente sin un cambio apreciable en la temperatura.
¿Cuáles son las ventajas de los materiales de cambio de fase orgánicos?
Los materiales de cambio de fase orgánicos, como la parafina y los ácidos grasos, tienen una mejor estabilidad química y se integran mejor con los materiales de construcción. Además, tienen una capacidad de almacenamiento de energía latente más alta. Sin embargo, son inflamables y pueden generar humos nocivos en caso de incendio.
¿Por qué es importante el almacenamiento de energía solar en forma térmica?
El almacenamiento de energía solar en forma térmica es importante porque permite aprovechar la energía solar incluso cuando el sol no está presente. Al almacenar el calor latente de la energía solar, podemos utilizarlo cuando sea necesario, lo que nos permite eliminar nuestra dependencia de los combustibles fósiles y avanzar hacia un futuro más sostenible.