Un material de cambio de fase (PCM por sus siglas en inglés) es una sustancia que libera/absorbe suficiente energía en una transición de fase para proporcionar calor o frío útil. Por lo general, la transición se produce entre uno de los dos primeros estados fundamentales de la materia (sólido y líquido). La transición de fase también puede darse entre estados no clásicos de la materia, como la conformidad de los cristales, en la que el material pasa de ajustarse a una estructura cristalina a ajustarse a otra, que puede ser un estado de mayor o menor energía.
La energía liberada/absorbida por la transición de fase de sólido a líquido, o viceversa, el calor de fusión es generalmente mucho mayor que el calor sensible. El hielo, por ejemplo, requiere 333,55J/g para fundirse, pero entonces el agua subirá un grado más con la adición de sólo 4,18J/g. El agua/hielo es, por tanto, un material de cambio de fase muy útil y se ha utilizado para almacenar el frío invernal y enfriar los edificios en verano al menos desde la época del Imperio Aqueménida.
Al fundirse y solidificarse a la temperatura de cambio de fase (TCP), un PCM es capaz de almacenar y liberar grandes cantidades de energía en comparación con el almacenamiento de calor sensible. El calor se absorbe o se libera cuando el material pasa de sólido a líquido y viceversa o cuando cambia la estructura interna del material; por ello, los PCM se denominan materiales de almacenamiento de calor latente (LHS).
Hay dos clases principales de materiales de cambio de fase: los materiales orgánicos (que contienen carbono) derivados del petróleo, de plantas o de animales; y los hidratos de sal, que generalmente utilizan sales naturales del mar o de depósitos minerales o son subproductos de otros procesos. Una tercera clase es el cambio de fase sólido a sólido.
Los PCM se utilizan en muchas aplicaciones comerciales diferentes en las que se requiere almacenamiento de energía y/o temperaturas estables, incluyendo, entre otras, almohadillas térmicas, refrigeración para cajas de conmutación telefónica y ropa.
El mayor mercado potencial es, con diferencia, el de la calefacción y refrigeración de edificios. En este ámbito de aplicación, los PCM tienen potencial a la luz de la progresiva reducción del coste de la electricidad renovable, unida a la naturaleza intermitente de dicha electricidad. Esto puede provocar un desajuste entre los picos de demanda y la disponibilidad de suministro. En Norteamérica, China, Japón, Australia, el sur de Europa y otros países desarrollados con veranos calurosos, el pico de suministro se produce al mediodía, mientras que el pico de demanda se sitúa en torno a las 17:00 y las 20:00horas. Esto crea oportunidades para los medios de almacenamiento térmico.
Los materiales de cambio de fase sólido-líquido suelen encapsularse para su instalación en la aplicación final, para contenerlos en estado líquido. En algunas aplicaciones, especialmente cuando se requiere la incorporación a textiles, los materiales de cambio de fase se microencapsulan. La microencapsulación permite que el material permanezca sólido, en forma de pequeñas burbujas, cuando el núcleo de PCM se ha fundido.
Características y clasificación El almacenamiento de calor latente puede lograrse mediante cambios en el estado de la materia de líquido→sólido, sólido→líquido, sólido→gas y líquido→gas. Sin embargo, sólo los cambios de fase sólido→líquido y líquido→sólido son prácticos para los PCM. Aunque las transiciones líquido-gas tienen un mayor calor de transformación que las transiciones sólido-líquido, los cambios de fase líquido→gas no son prácticos para el almacenamiento térmico porque se requieren grandes volúmenes o altas presiones para almacenar los materiales en su fase gaseosa. Los cambios de fase sólido-sólido suelen ser muy lentos y tienen un calor de transformación relativamente bajo.
Inicialmente, los PCM sólido-líquido se comportan como materiales de almacenamiento de calor sensible (SHS); su temperatura aumenta a medida que absorben calor. Sin embargo, a diferencia de los materiales SHS convencionales, cuando los PCM alcanzan su temperatura de cambio de fase (su punto de fusión) absorben grandes cantidades de calor a una temperatura casi constante hasta que todo el material se funde. Cuando la temperatura ambiente alrededor de un material líquido desciende, el PCM se solidifica, liberando su calor latente almacenado. Existe un gran número de PCM en cualquier intervalo de temperatura necesario, desde -5 hasta 190°C. Dentro del intervalo de confort humano entre 20 y 30°C, algunos PCM son muy eficaces, ya que almacenan más de 200kJ/kg de calor latente, frente a una capacidad calorífica específica de alrededor de un kJ/(kg*°C) para la mampostería. Por tanto, la densidad de almacenamiento puede ser 20veces superior a la de la mampostería por kg si se admite una oscilación de temperatura de 10°C. Sin embargo, como la masa de la mampostería es muy superior a la del PCM, esta capacidad calorífica específica (por masa) queda algo compensada. Un muro de mampostería puede tener una masa de 200kg/m2, por lo que para duplicar la capacidad calorífica se necesitarían 10kg/m2 adicionales de PCM.
PCM orgánicos
Hidrocarburos, principalmente parafinas (CnH2n+2) y lípidos, pero también alcoholes de azúcar."Heat storage systems" (PDF) by Mary Anne White, brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage. A more complete list can be found in AccessScience from McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, last modified: March 25, 2002 based on 'Latent heat storage in concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80. Otro ejemplo de material de cambio de fase en esta categoría es la cera de abejas. Ventajas Congelación sin mucho sobreenfriamiento Capacidad de fusión congruente Propiedades autonucleantes Compatibilidad con materiales de construcción convencionales Sin segregación Químicamente estable Seguro y no reactivo Desventajas Baja conductividad térmica en estado sólido. Se requieren altas tasas de transferencia de calor durante el ciclo de congelación. Se ha observado que los nanocompuestos aumentan la conductividad térmica efectiva hasta un 216%.(2015). Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications. Springer La capacidad volumétrica de almacenamiento de calor latente puede ser baja. Inflamable. Esto puede paliarse parcialmente mediante un confinamiento especializado.
Inorgánicos Hidratos de sal (MxNy·nH2O)
Ventajas Elevada capacidad volumétrica de almacenamiento de calor latente Disponibilidad y bajo coste Punto de fusión elevado Alta conductividad térmica Alto calor de fusión No inflamable Sostenibilidad
Desventajas Es difícil evitar la fusión incongruente y la separación de fases al ciclar, lo que puede causar una pérdida significativa de entalpía de calor latente. Puede ser corrosivo para muchos otros materiales, como los metales. Esto puede superarse utilizando únicamente emparejamientos específicos de metal y PCM o encapsulándolos en pequeñas cantidades en plástico no reactivo. El cambio de volumen es muy elevado en algunas mezclas El superenfriamiento puede ser un problema en la transición sólido-líquido, lo que hace necesario el uso de agentes nucleantes que pueden dejar de funcionar tras repetidos ciclos
Materiales higroscópicos
Muchos materiales de construcción naturales son higroscópicos, es decir, pueden absorber (el agua se condensa) y liberar agua (el agua se evapora). El proceso es el siguiente
Condensación (de gas a líquido) ΔH<0; la entalpía disminuye (proceso exotérmico) desprende calor. Vaporización (líquido a gas) ΔH>0; la entalpía aumenta (proceso endotérmico) absorbe calor (o enfría).
Aunque este proceso libera una pequeña cantidad de energía, las grandes superficies permiten un calentamiento o enfriamiento significativo (1-2°C) en los edificios. Los materiales correspondientes son el aislamiento de lana y los acabados de tierra/arcilla.
PCM sólidos Grupo especializado de PCM que experimentan una transición de fase sólido/sólido con la consiguiente absorción y liberación de grandes cantidades de calor. Estos materiales cambian su estructura cristalina de una configuración reticular a otra a una temperatura fija y bien definida, y la transformación puede implicar calores latentes comparables a los de los PCM sólidos/líquidos más eficaces. Estos materiales son útiles porque, a diferencia de los PCM sólidos/líquidos, no requieren nucleación para evitar el sobreenfriamiento. Además, al tratarse de un cambio de fase sólido/sólido, no se produce ningún cambio visible en el aspecto del PCM, y no hay problemas asociados a la manipulación de líquidos, por ejemplo, contención, posibles fugas, etc. Actualmente, el rango de temperatura de las soluciones PCM sólido-sólido abarca desde -50°C (-58°F) hasta +175°C (347°F).
Criterios de selección El material de cambio de fase debe poseer las siguientes propiedades termodinámicas:
Temperatura de fusión en el intervalo de temperaturas de funcionamiento deseado Alto calor latente de fusión por unidad de volumen Alto calor específico, alta densidad y alta conductividad térmica Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de funcionamiento para reducir el problema de contención Fusión congruente
Propiedades cinéticas
Alta tasa de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida Alta tasa de crecimiento de cristales, para que el sistema pueda satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento
Propiedades químicas
Estabilidad química Ciclo completo reversible de congelación/fusión No se degrada tras un gran número de ciclos de congelación/fusión Materiales no corrosivos, no tóxicos, no inflamables y no explosivos
Propiedades económicas Bajo coste Disponibilidad
Propiedades termofísicas Las principales propiedades termofísicas de los materiales de cambio de fase son: Punto de fusión (Tm), Calor de fusión (ΔHfus), Calor específico (cp) (de fase sólida y líquida), Densidad (ρ) (de fase sólida y líquida) y conductividad térmica. A partir de ahí se pueden calcular valores como el cambio de volumen y la capacidad calorífica volumétrica.
Tecnología, desarrollo y encapsulación Los PCM más utilizados son los hidratos de sal, los ácidos grasos y ésteres, y diversas parafinas (como el octadecano). Recientemente también se han investigado los líquidos iónicos como nuevos PCM.
Como la mayoría de las soluciones orgánicas no contienen agua, pueden exponerse al aire, pero todas las soluciones PCM basadas en sales deben encapsularse para evitar la evaporación o absorción de agua. Ambos tipos ofrecen ciertas ventajas e inconvenientes y, si se aplican correctamente, algunas de las desventajas se convierten en ventajas para determinadas aplicaciones.
Se han utilizado desde finales del como medio para aplicaciones de almacenamiento térmico. Se han utilizado en aplicaciones tan diversas como el transporte refrigeradoFrederik Tudor the Ice King on ice transport during the 19th century para aplicaciones ferroviariasRichard Trevithick's steam locomotive ran in 1804 y por carreteraAmédée Bollée created steam cars beginning at 1873 y sus propiedades físicas son, por tanto, bien conocidas.
Sin embargo, a diferencia del sistema de almacenamiento de hielo, los sistemas PCM pueden utilizarse con cualquier enfriadora de agua convencional, tanto para una aplicación nueva como para una adaptación. El cambio de fase de temperatura positivo permite utilizar enfriadoras centrífugas y de absorción, así como los sistemas convencionales de enfriadoras alternativas y de tornillo, o incluso condiciones ambientales más bajas utilizando una torre de refrigeración o un enfriador seco para cargar el sistema TES.