Reducción del consumo energético con materiales de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase (PCM) son un componente importante para una gestión térmica eficiente. Se pueden utilizar para ahorrar energía. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas Solares ISE se han asociado con socios industriales para desarrollar emulsiones a partir de PCM y agua o mezclas de agua y glicol para aplicaciones como la climatización de edificios y la refrigeración de maquinaria industrial. Las nuevas emulsiones de PCM alcanzan una densidad de almacenamiento dos veces superior a la del agua.

El agua ha demostrado su valor como portador de calor, por ejemplo, cuando se trata de transferir calor de una caldera a un radiador o de mantener refrigerados los techos refrigerantes. Pero hay un nuevo competidor en escena: en el proyecto Optimus, investigadores del Fraunhofer ISE de Friburgo están trabajando con socios industriales para desarrollar emulsiones de PCM con alta densidad de almacenamiento para su uso en edificios e industria, pero también en sistemas de bombas de calor y para refrigerar baterías en vehículos de motor.

Las emulsiones PCM son una mezcla de parafinas y agua o mezclas de agua y glicol, que se utilizan principalmente en el sector de la movilidad, donde la adición de glicol evita que la mezcla se congele. Los investigadores utilizan parafinas dispersas o emulsionadas en agua o en mezclas de agua y glicol. Los tensioactivos estabilizan las gotas ultrafinas de parafina distribuidas por el agua, lo que confiere a la mezcla estabilidad térmica y mecánica. Las emulsiones aprovechan la alta densidad energética de las parafinas durante la transición de fase de sólido a líquido. “Al emulsionar las parafinas en agua, estas pueden permanecer líquidas independientemente de su estado de fase en la emulsión creada y utilizarse como líquidos de transferencia de calor en redes de calefacción y refrigeración, lo que significa que las mezclas pueden bombearse a través de tuberías. Durante el cambio de fase, los PCM absorben o liberan grandes cantidades de calor, incluso cuando su temperatura se mantiene constante”, explica Stefan Gschwander, investigador científico del Fraunhofer ISE. Esto permite a los investigadores alcanzar el doble de densidad de almacenamiento que el agua, que se utiliza actualmente como portador de calor en las redes convencionales de suministro de calefacción y refrigeración, en el rango de fusión de los PCM, manteniendo el mismo volumen.

Además de su alta densidad de almacenamiento, las emulsiones de PCM también tienen otras ventajas. Gracias a su alta capacidad de almacenamiento de calor, los sistemas que utilizan PCM pueden diseñarse para ocupar menos espacio. Ofrecen una alta capacidad calorífica, especialmente cuando la diferencia de temperatura es pequeña. “El uso de PCM es especialmente interesante para aplicaciones que solo permiten diferencias de temperatura mínimas, como la refrigeración de edificios o el aire acondicionado. Los sistemas de aire acondicionado convencionales que utilizan agua como portador de calor requieren altos caudales volumétricos y grandes volúmenes de almacenamiento. Aquí es donde los PCM realmente brillan”, afirma Gschwander.

Producción de emulsiones PCM en el laboratorio. Foto: Fraunhofer ISE.

En el proyecto, los socios están desarrollando emulsiones PCM adecuadas con temperaturas de fusión que oscilan entre 12 y 18, 20 y 28 y 45 y 50 °C para cualquier aplicación, desde el aire acondicionado en edificios hasta instalaciones industriales, refrigeración de baterías y bombas de calor. Todas las emulsiones desarrolladas ya han sido sometidas a pruebas termomecánicas en un circuito de pruebas hidráulico con una bomba centrífuga, varias válvulas, un tanque de expansión de diafragma y un intercambiador de calor de placas. Pueden soportar hasta 100 000 ciclos. Los investigadores desarrollaron, caracterizaron y probaron inicialmente las emulsiones PCM a escala de laboratorio, utilizando volúmenes de producción de hasta cinco litros. A continuación, las fórmulas se ampliaron a escala de planta piloto, produciendo volúmenes de hasta 100 litros.

Se prevé ampliar aún más las emulsiones PCM, hasta alcanzar la escala de metros cúbicos, en colaboración con el socio industrial H&R Wax & Specialties GmbH. El objetivo es producir las emulsiones en mayores volúmenes para demostrar su uso en depósitos fríos utilizados para la climatización de interiores o la refrigeración de procesos. Las emulsiones PCM se suministrarán inicialmente para dos demostraciones. En la primera, el calor residual de las salas de servidores de un edificio judicial se almacenará durante la calefacción activa y posteriormente se transferirá al suministro de aire a través de la emulsión, lo que permitirá disponer de esa energía térmica para ayudar a calentar el edificio. En la segunda aplicación, se prevé refrigerar máquinas de moldeo por inyección y liberar el calor almacenado en las horas punta al aire fresco exterior (refrigeración libre) durante la noche. “En estos momentos estamos optimizando nuestras fórmulas para lograr una estabilidad y una densidad de almacenamiento aún mayores”, explica Gschwander.

El proyecto Optimus

Desarrollo, optimización y aplicación de emulsiones PCM con alta densidad de almacenamiento térmico.

Duración: de mayo de 2021 a abril de 2026

Proyecto financiado por el Ministerio Federal Alemán de Medio Ambiente, Acción Climática, Conservación de la Naturaleza y Seguridad Nuclear

Socios del proyecto:

• Fraunhofer ISE
• H&R Wax & Specialties GmbH
• Hochschule RheinMain
• IKS Industrielle KühlSysteme GmbH
• Konvekta AG