Tecnología de materiales con cambio de fase para almacenar energía térmica y electricidad solar en edificios

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Un grupo de investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de Estados Unidos ha desarrollado un material con cambio de fase (Phase Change Material-PCM) sintonizable dinámicamente que puede utilizarse para almacenar tanto energía térmica como electricidad si se aplica en edificios.

Los PCM son sustancias que absorben y liberan energía térmica cuando cambian de fase y son capaces de almacenar y liberar grandes cantidades de calor latente en un rango de temperatura definido. En el sector de la construcción, la combinación de materiales de construcción con PCM es una forma eficaz de mejorar la capacidad de almacenamiento de energía térmica de los elementos de construcción.

“Sin embargo, uno de los problemas de los materiales con cambio de fase es que suelen funcionar solo en un rango de temperaturas”, afirman los científicos. “Eso significa que se necesitarían dos materiales diferentes para el verano y el invierno, lo que incrementa el coste”. Para solucionar este problema, el equipo del NREL modificó la temperatura de transición (Tm) de un PCM utilizando iones con requisitos de tensión muy modestos. La temperatura de transición es la temperatura mínima a la que un material cambia su estructura cristalina por otra.

Se utilizó una batería de doble ión (DIB) para modificar electroquímicamente la concentración de sal en el PCM y, como consecuencia, cambiar su Tm de forma reversible y dinámica”. En una DIB, un PCM con una alta concentración inicial de sal y una baja Tm sirve de electrolito para el dispositivo”, explicaron los científicos. “La carga electroquímica almacena los cationes y aniones en los electrodos negativo y positivo, respectivamente”.

El PCM, la sal y los electrodos se optimizaron para que el DIB funcionara como un dispositivo sintonizable dinámicamente. “Funciona como una batería térmica y eléctrica”, dijo el corresponding author de la investigación, Gao Liu. “Además, esta capacidad aumenta el potencial de almacenamiento térmico gracias a la posibilidad de ajustar el punto de fusión del material en función de las diferentes temperaturas ambientales”.

Se afirma que la tecnología propuesta reduce el coste del almacenamiento, ya que el mismo material puede utilizarse durante todo el año en lugar de solo la mitad. “Si utilizamos el almacenamiento de energía térmica, en el que las materias primas son más abundantes para satisfacer la demanda de cargas térmicas, esto relajará parte de la demanda de almacenamiento electroquímico y liberará a las baterías para que se utilicen allí donde no se pueda usar el almacenamiento de energía térmica”, dijo el coautor de la investigación, Sumanjeet Kaur.

Todos los detalles sobre la tecnología de almacenamiento pueden encontrarse en el estudio “Dynamic tunability of phase-change material transition temperatures using ions for thermal energy storage”, publicado recientemente en Cell Reports Physical Science. “En la construcción de edificios a gran escala, esta capacidad combinada de almacenamiento de energía térmica y eléctrica permitiría al material almacenar el exceso de electricidad producida por operaciones solares o eólicas in situ, para satisfacer tanto las necesidades térmicas (calefacción y refrigeración) como las eléctricas”, concluyen los académicos.

 

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