Cristales líquidos como materiales para almacenamiento térmico

Autora: Rocío Bayón, CIEMAT

Muchos procesos térmicos del sector industrial así como las centrales termosolares con generación directa de vapor (GDV) incluyen vapor de agua como agente portador del calor. En ambos casos sería económicamente muy beneficioso contar con un sistema de almacenamiento térmico ya que no sólo ayudaría a aumentar la eficiencia de ambos procesos sino a reducir los costes de la electricidad en el caso de las centrales termosolares [1, 2]. Sin embargo y a pesar de estas buenas perspectivas, no hay todavía una tecnología de almacenamiento para este tipo de aplicaciones que tenga un coste razonable y que por tanto se pueda implantar de forma comercial.

Debido a que este tipo de tecnologías implican procesos de condensación/vaporización, el almacenamiento de energía en forma de calor latente a temperatura constante es sin duda el más adecuado. Hasta ahora este tipo de almacenamiento se lleva a cabo mediante materiales de cambio de fase (PCM) que cambian de estado entre sólido y líquido o viceversa, absorbiendo y cediendo energía a temperatura constante.

Sin embargo en estos casos, el intercambio de energía entre el PCM y el fluido de transferencia está limitado por la conductividad del PCM, la cual es baja en los PCM considerados de interés y reduce la densidad de potencia de todo el sistema de almacenamiento. Para solventar este inconveniente, se han propuesto distintas soluciones encaminadas a la mejora de la conductividad térmica efectiva del PCM y de la transferencia de calor entre el PCM y el fluido por medio de diseños especiales (y a veces complicados) del intercambiador. Desafortunadamente algunas de estas opciones no llegan a conseguir una curva de potencia constante del almacenamiento y otras se encuentran todavía en fases preliminares de desarrollo no estando clara su escalabilidad para almacenamientos de gran capacidad.

Partiendo de estos antecedentes, desde el CIEMAT-PSA se propone la utilización de unos PCMs alternativos capaces de absorber y ceder energía a temperatura constante cuando sufren un cambio entre dos fases fluidas [3]. Este comportamiento lo presentan los materiales mesógenos termótropos o también denominados cristales líquidos termótropos (CLs). En este tipo de materiales el punto de fusión es la temperatura a la cual la fase sólida se convierte en una determinada mesofase mientras que el punto de aclaramiento es la temperatura a la cual una mesofase se convierte en líquido isótropo, siendo ésta la transición de interés para el almacenamiento térmico.

Las ventajas de utilizar cristales líquidos como materiales de almacenamiento con cambio de fase serían dos principalmente. La primera es que al tratarse siempre de fases fluidas, el intercambio de energía tendría lugar por convección, que es un mecanismo de transferencia mucho más eficiente que la conducción. La segunda es que la curva de potencia sería constante con el tiempo tanto para el proceso de carga como para el de descarga del almacenamiento. Entre las condiciones más importantes que debe cumplir un cristal líquido para que sea considerado como un PCM adecuado están que tenga un punto de aclaramiento cercano a la temperatura de trabajo del vapor o a la cual se vaya a realizar el almacenamiento y que además la entalpía de esta transición sea lo suficientemente alta. Por otro lado también es necesario que el material presente una viscosidad baja en ambas fases fluidas, sea estable frente a los ciclados y, desde el punto de vista de su implantación comercial, tenga bajo impacto medioambiental, disponibilidad y bajo coste.

En la Figura 1 se muestra un esquema de la configuración que podría tener una central termosolar con generación directa de vapor con un sistema de almacenamiento indirecto en dos tanques basado en cristales líquidos: el tranque frío conteniendo la mesofase y el tanque caliente conteniendo la fase isótropa.

Figura 1. Esquema de planta GDV con almacenamiento basado en CLs.

Hasta la fecha, las especiales propiedades de los CLs, han hecho que se utilicen en multitud de dispositivos tecnológicos tales como pantallas de calculadoras, televisores, ordenadores, teléfonos móviles así como en termómetros, láseres, dispositivos ópticos e incluso en células solares. Sin embargo prácticamente no se encuentran en la literatura aplicaciones en las que se aproveche su capacidad de intercambiar calor entre dos fases fluidas. En este sentido, el trabajo publicado por el CIEMAT-PSA sobre la utilización de CLs como materiales para almacenamiento térmico en forma de calor latente se puede considerar el primero que propone dicha aplicación para este tipo de materiales [3]. Actualmente el CIEMAT-PSA está estudiando los cristales líquidos más idóneos para esta aplicación con el objetivo de hacer el prediseño de un sistema de almacenamiento térmico basado en este concepto para centrales termosolares con generación directa de vapor. Esta investigación se está llevando a cabo gracias a la aportación de varios proyectos: ALCCONES (financiado por la Comunidad de Madrid –Ref P2013/MAE-2985), DETECSOL (resolución provisional del Programa estatal de investigación, desarrollo e innovación orientada a los retos de la sociedad, convocatoria 2014) y STAGE-STE (7º PM de la CE, Acuerdo Nr. 609837).

Fuentes:

1. Tamme R., Bauer T., Buschle J., Laing D., Müller-Steinhagen H., Steinmann W. D.: Latent heat storage above 120ºC for applications in the industrial process heat sector and solar power generation. International Journal of Energy Research 2008; 32: 264-271.
2. Zarza E., Valenzuela L., León J., Hennecke K., Eck M., Weyers H. D., Eickhoff M.: Direct steam generation in parabolic troughs: Final results and conclusions of the DISS project. Energy 2004; 29: 635-644.

3. Bayón R., Rojas E. Liquid crystals: a new approach for latent heat storage. International Journal of Energy Research 37 (2013) 1737-1742.