Uso de materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía

Las fuentes de energía renovables son cada vez más populares. Sin embargo, dicha energía puede desperdiciarse si hay exceso disponible cuando aún no se necesita. Un ejemplo particularmente sorprendente es la energía solar; Los paneles solares suministran la mayor parte de su producción durante el día, mientras que a menudo el mayor uso de energía de un hogar es por la noche.

Una forma de solucionar este problema es almacenar el exceso de energía para poder utilizarlo más tarde. La forma más común de hacer esto es con baterías grandes, sin embargo, no es el único juego en la ciudad. Los materiales que cambian de fase están demostrando ser una herramienta útil para almacenar el exceso de energía y recuperarlo más tarde, almacenando energía no como electricidad, sino como calor. Veamos cómo funciona la tecnología y algunas de sus aplicaciones más útiles.

Se trata de calor

La curva de calentamiento del agua. Note las líneas planas en la curva donde se debe exceder el calor latente para cambiar de fase.

A diferencia de las baterías o los condensadores, los materiales de cambio de fase no almacenan energía como la electricidad, sino calor. Esto se hace utilizando las propiedades físicas únicas de los cambios de fase, en el caso de una transición de material entre las fases sólida y líquida, o líquida y gaseosa. Cuando se aplica energía caliente a un material, como el agua, la temperatura aumenta. Sin embargo, cuando el agua líquida alcanza temperaturas cercanas al punto de ebullición, sucede algo extraño.

A medida que se introduce más energía, la temperatura comienza a subir. Esto se debe a que se debe poner suficiente energía para superar lo que se llama evaporación latente - la energía necesaria para transformar el líquido en gas. Luego, después de introducir suficiente calor, el agua se convierte en vapor y la temperatura vuelve a subir libremente. Este calor latente puede almacenar una cantidad significativa de energía en un material durante un cambio de temperatura relativamente pequeño. Este calor latente también existe en los cambios de fase de sólido a líquido, donde se conoce como fusión por calor latente. Aprovechando el calor latente, se pueden almacenar grandes cantidades de energía en un cambio relativamente pequeño de la temperatura real, y se puede acceder a ellas manipulando el cambio de fase de un material.

Quizás la forma más común de cambio de fase de almacenamiento de calor en el mercado es el calentador de acetato de sodio portátil. Estos calentadores contienen gel de acetato de sodio en una bolsa de plástico. Cuando el gel recibe un punto de nucleación al recortar un disco de metal en el gel, cambia rápidamente de fase de un líquido sobresaturado a un sólido. La congelación repentina libera así el calor latente que el material ha retenido en su forma líquida y calienta agradablemente las manos del usuario. Luego, el material se puede recargar calentando el calentador de manos para derretir el acetato de sodio repetidamente, antes de dejar que se enfríe suavemente a temperatura ambiente. El calor latente quedará atrapado en el líquido hasta que vuelva a molestar, lo que hará que se congele nuevamente.

Se ha estudiado una amplia variedad de materiales para el almacenamiento de calor por efecto del cambio de fase. La cera de parafina es quizás una de las más estudiadas, gracias a que su cambio de fase se produce a una temperatura útil. Sin embargo, su baja conductividad térmica limita la velocidad con la que se puede intercambiar la energía, lo que dificulta la eficiencia. Las sales hidratadas han sido otro material importante, aunque tienen sus propios problemas. A menudo, estos materiales experimentan subenfriamiento. A medida que se extrae calor del material líquido, su temperatura disminuye por debajo del punto de congelación sin que el material se solidifique realmente. Sin experimentar un cambio de fase, el calor latente permanece atrapado en el líquido y no se puede extraer. Además, como muchos químicos de baterías, los ciclos repetidos pueden causar problemas. El material de cambio de fase debe conservar sus propiedades durante muchos ciclos, sin que los productos químicos se salgan de la solución o la corrosión dañe el material o su envolvente con el tiempo. Gran parte de la investigación sobre la conservación de energía por cambio de fase se centra en soluciones refinadas y el uso de aditivos y otras técnicas para hacer frente a estos desafíos básicos. A menudo, los detalles específicos de dichos materiales siguen siendo un secreto comercial, ya que las empresas intentan compensar los costos de investigación a través de las ventas.

Celdas de cambio de fase temprana de Sunamp para calefacción doméstica: observe los fluidos de entrada y salida que ingresan al intercambiador de calor interno.

El efecto de cambio de fase se puede utilizar de varias formas para almacenar y ahorrar energía de forma funcional. Se puede aplicar calor a un material que cambia de fase, fundiéndolo y almacenando así energía en su interior como calor latente. El exceso de energía eléctrica, como procedente de fuentes renovables, se puede conservar fácilmente en estos materiales que cambian de fase, ya que es posible hacer que la energía eléctrica se caliente de manera bastante eficiente. Sin embargo, lo contrario no es tan fácil.

En cambio, estos dispositivos de cambio de fase se utilizan a menudo para producir calor de forma más directa, ya sea como calentadores o para proporcionar energía térmica a los procesos de refrigeración. Esto a menudo se logra simplemente pasando un flujo de trabajo, como agua o refrigerante, a través de un intercambiador de calor en contacto con el material de cambio de fase. El primero tiene mucha aplicabilidad a los hogares, reduciendo los costos de calefacción residencial y agua caliente. Este último es más importante para las grandes instalaciones comerciales e industriales. Especialmente en industrias como la vinificación y el almacenamiento en frío, la refrigeración puede ser un gasto subyacente importante esencial para las operaciones. Incluso las ganancias porcentuales pequeñas en la eficiencia o el uso reducido de energía pueden tener grandes recompensas a lo largo del tiempo.

Los diferentes materiales de cambio de fase se congelan a diferentes temperaturas, lo que los hace adecuados para diferentes aplicaciones. Los materiales de baja temperatura se utilizan para aplicaciones de refrigeración como en este proyecto de la Universidad de Australia del Sur.

Otro uso interesante de los materiales de cambio de fase es como una solución de gestión pasiva del calor para edificios. La idea es utilizar un material de cambio de fase con un punto de fusión alrededor de una temperatura ambiente agradable, como 20-25 grados Celsius. El material está encapsulado en un revestimiento de plástico y se puede instalar en un edificio en paredes y techos junto con aislamiento. Entonces, el material actúa como una especie de amortiguador térmico. La energía térmica que crece en una habitación puede ser absorbida por el material de cambio de fase, manteniendo las temperaturas más bajas. A medida que el edificio se enfría, el material puede liberar su calor y actuar para estabilizar las temperaturas. Puede ser una forma ligera de aumentar la masa térmica de un edificio y puede reducir la dependencia de la refrigeración o calefacción activa de los sistemas HVAC.

Material de cambio de fase marca BioPCM instalado en techo. Esto se utiliza como una forma liviana de agregar masa térmica a un edificio, lo que ayuda a mantener temperaturas cómodas y estables sin la necesidad de calefacción y refrigeración continuas.

Mirando hacia el futuro, tal vez la conservación de energía por cambio de fase sigue siendo limitada en el espacio vital. Aunque puede tener ventajas, su aplicación de calefacción única y limitada lo hace menos atractivo que el almacenamiento con batería, que puede alimentar toda una casa. Sin embargo, para los procesos industriales, como la refrigeración y el calentamiento de procesos, existe un gran potencial para que las tecnologías de cambio de fase se utilicen como una instalación de almacenamiento de energía barata y eficiente. Con la investigación continua en el campo, es probable que veamos un mayor uso de esta tecnología en el futuro, ya que el ahorro de energía será más importante en los años futuros.

• RW versión 0.0.1 dice:

  Solo necesitamos encontrar un poco de ese agua especial que tenían en "Steam Boy" (Permitir mantener el vapor a presión súper alta durante mucho tiempo)

  • yetihehe dice:

    Se llama peróxido de hidrógeno, H2O2. Utilizado para propulsores.

• PWalsh dice:

  Don Sadoway en MIT inventó una forma de batería de metal líquido que hace esto que almacena y libera energía eléctrica.

  Además del cambio de fase sólido / líquido, también hay un cambio de fase de aleación / elemento. También hay una química interesante: los dos electrodos de metal líquido forman una aleación, no un compuesto. (Un poco ...) La eficiencia de stock y la capacidad energética son bastante altas, aunque las celdas son demasiado pesadas para cualquier aplicación móvil.

  https://en.wikipedia.org/wiki/Molten-salt_battery#Liquid-metal_batteries

  Ambri comenzó a fabricar y enviar baterías según su proyecto: https://ambri.com/technology/