Hasta ahora ha sido un desafío almacenar la energía que generamos cuando brilla el sol y sopla el viento. Pero los investigadores de un laboratorio en Trondheim, Noruega, lograron hacer precisamente esto, y completamente sin ningún tipo de tecnología avanzada de baterías.

Desde el exterior parece un contenedor de color plateado con una pequeña ventana redonda cortada en el costado y varias tuberías que entran y salen. El calor se introduce primero en el sistema y luego, después de un tiempo, se libera nuevamente.

Este "contenedor" permite almacenar la energía térmica generada en los días soleados y ventosos y liberarla nuevamente cuando el clima se vuelve más frío. La tecnología que impulsa el sistema se basa en los llamados "materiales de cambio de fase" (PCM) en combinación con bombas de calor.

De hecho, la fuente de energía puede ser cualquier cosa, desde electricidad generada por paneles solares, calor residual del edificio de una fábrica o energía excedente de una turbina eólica. Aquí, en el laboratorio ZEB (Zero Emission Building) operado por SINTEF y NTNU, la energía para el almacenamiento proviene de los paneles solares que cubren la mayor parte del techo del edificio y la fachada orientada al sur.

El agua es el material de cambio de fase más común en el mundo

Pero, ¿qué es un material de cambio de fase? Alexis Sevault es Gerente de Investigación en SINTEF Energy Research y está más que feliz de explicar.

De hecho, el agua es un material de cambio de fase en su forma más simple y familiar. Puede convertirse en cristales de hielo cuando la temperatura cae por debajo de los cero grados centígrados, convertirse en líquido a medida que aumenta la temperatura y convertirse en vapor cuando se acerca a los 100 grados. El agua también tiene la capacidad de comportarse de manera diferente en sus distintas fases y, lo que es más importante, puede almacenar calor en forma líquida.

Los científicos dan el nombre de materiales de cambio de fase, o PCM, a los materiales que se comportan de manera diferente en sus diferentes fases y que también pueden almacenar calor.

Hay muchos PCM que pueden almacenar calor cuando están en forma líquida. Lo que hace que estos materiales sean interesantes y, no menos importantes, prácticos en este contexto es que sus puntos de fusión no son cero grados.

Punto de fusión:37 grados centígrados

Esta propiedad permite que los PCM se utilicen como los llamados "bancos de calor". En otras palabras, como pilas. El gran recipiente plateado del laboratorio ZEB contiene un PCM que se derrite a la temperatura corporal.

"El dispositivo contiene tres toneladas de biocera líquida a base de un aceite vegetal que no se puede usar como alimento", dice Sevault. "De la misma manera que el agua se convierte en hielo, la cera se convierte en un material sólido y cristalino cuando se enfría lo suficiente. 'Fría' para esta cera en particular significa menos de 37 grados", dice, y continúa agregando:

"Pero hay otros tipos de biocera que tienen diferentes puntos de fusión, y todos ofrecen oportunidades para muchas aplicaciones similares".

Moléculas inteligentes

Si examinamos en detalle la biocera, encontramos que está formada por moléculas que se comportan de forma muy económica en términos de calor.

Para ahorrar energía, las moléculas se disponen muy juntas cuando la biocera está en su fase sólida. Se agrupan cerca unos de otros y se mantienen relativamente quietos, como una bandada de pingüinos fríos en un témpano de hielo.

A medida que el material se derrite, los enlaces que mantienen unidas a las moléculas se aflojan y comienzan a moverse con lo que llamamos energía cinética. A medida que se suministra más calor de su entorno, las moléculas se excitan más. Finalmente, se liberan de sus ataduras y pueden vibrar libre e independientemente. Cuando esto sucede, la biocera ha cambiado de fase y se ha convertido en un líquido.

Y lo contrario es cierto. Cuando la cera cambia de líquido a sólido, las moléculas liberan una gran parte de su energía cinética a su entorno. Dejan de vibrar y comienzan a agruparse nuevamente para ahorrar energía. La cera luego vuelve a ser un sólido.

Biobasado y libre de mantenimiento

Este es el fenómeno que los investigadores están explotando en el contenedor de plata. La energía recolectada por los paneles solares externos del edificio se conduce a través de una bomba de calor hacia la gran "batería", y es aquí donde las moléculas de biocera son libres de bailar al contenido de sus corazones, llenas de su energía líquida.

Cuando llega el momento de extraer la energía, al agua líquida se le asigna el trabajo de "portador de energía práctico". En primer lugar, el agua fría se envía a través del sistema de almacenamiento de calor. Después de un rato, el agua ahora calentada se libera del dispositivo y se dirige a los radiadores y al sistema de ventilación, suministrando aire caliente al edificio.

Un sistema eficaz y funcional

Esta tecnología ya se ha utilizado como parte del sistema de calefacción del Laboratorio ZEB durante más de un año.

"El sistema de almacenamiento de calor basado en PCM ofrece exactamente el rendimiento que esperábamos", dice Alexis Sevault. "Estamos utilizando la mayor cantidad posible de energía solar de producción propia del edificio. También estamos descubriendo que el sistema se adapta muy bien al llamado 'afeitado máximo'", dice.

"Al cargar la biobatería antes de las horas más frías del día, evitamos que el edificio consuma valiosa electricidad de la red en momentos en que el resto de Trondheim también experimenta una gran demanda", dice Sevault. "Esto nos ofrece un nivel de flexibilidad que también se puede usar para aprovechar las fluctuaciones en el precio al contado. Podemos cargar nuestra batería cuando tenemos acceso a la energía del sol, el viento y el calor residual, y extraer energía cuando el precio de la electricidad es alto". ," el explica.

Además, el primer año de funcionamiento ha proporcionado grandes volúmenes de datos que los investigadores utilizarán ahora para optimizar tanto el diseño como el funcionamiento del sistema para que se pueda extraer la mayor cantidad posible de resultados.

Más adecuado para aplicaciones industriales

Por lo tanto, el sistema es mucho menos sofisticado que una batería tradicional, pero no es adecuado para todos los edificios. Como nueva tecnología, los costos de inversión siguen siendo altos. El inconveniente es que dicho sistema no funcionará para todos. Al menos no en la actualidad.

“Este sistema será ideal para edificios industriales y de oficinas, y en barrios donde se pueda distribuir el calor”, dice Sevault. "Lo mejor de todo es que la tecnología prácticamente no requiere mantenimiento. Durará al menos 25 años", dice.

Los investigadores también están trabajando para desarrollar sistemas de control inteligentes con el objetivo de optimizar la producción. Estos permitirán que el sistema en su conjunto responda y se regule de acuerdo con las necesidades de su entorno. En la práctica, esto significa que la forma en que se explota el sistema puede estar guiada por factores como las previsiones meteorológicas y las fluctuaciones en el precio de la electricidad. Esta investigación está siendo realizada por SINTEF en colaboración con NTNU. Junto con muchas otras divisiones de investigación dentro de NTNU y SINTEF, los investigadores han establecido un Centro Gemini llamado Almacenamiento de Energía Térmica.

Una escisión de SINTEF

Los investigadores que han desarrollado la "bio-batería", o sistema de almacenamiento de calor PCM como lo llaman los expertos, ahora están en proceso de establecer una empresa con el objetivo de comercializar la tecnología. Esto está sucediendo en colaboración con la división interna de apoyo a la puesta en marcha de SINTEF, SINTEF TTO.

"Prevemos que después de varios meses de pruebas en el laboratorio ZEB, podemos iniciar con seguridad el concepto en su viaje hacia la comercialización", dice Sevault. "También establecimos contacto con muchos usuarios finales que están interesados ​​en tener un sistema piloto instalado en 2023 o 2024. Muchos de ellos son empresas industriales que tienen los recursos para escalar el concepto", dice. + Explora más

Comprender los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía térmica