Estudios de degradación térmica de ácidos grasos como parte de la metodología para la validación de PCMs para almacenamiento térmico

Autora: Rocío Bayón, CIEMAT

Para que un determinado material sea considerado como medio de almacenamiento, no sólo debe tener unas propiedades termofísicas adecuadas en el rango de temperaturas de la aplicación, sino que, además, dichas propiedades no tendrían que variar de forma significativa a lo largo de la vida de servicio del sistema. Por tanto, la estabilidad a largo plazo de los medios de almacenamiento térmico es una cuestión prioritaria que debería ser analizada en profundidad a la hora de desarrollar cualquier tipo de sistema de almacenamiento pues de ella depende que dicho sistema funcione de forma adecuada a lo largo de su vida útil y por lo tanto sea viable desde el punto de vista técnico y económico. Sin embargo y a pesar de la gran cantidad de potenciales aplicaciones, la implantación comercial de los sistemas de almacenamiento en calor latente es difícil debido a la falta de PCMs validados, pues a día de hoy no se cuenta con una metodología que permita asegurar su funcionamiento óptimo durante toda la vida útil de dichos sistemas. En este contexto, en la Unidad de Almacenamiento Térmico del CIEMAT surge la iniciativa de desarrollar una metodología que permita la validación de medios de almacenamiento, centrando la atención en los PCMs. De hecho, el desarrollo de esta metodología es una de las actividades que se han venido llevando a cabo por parte de esta Unidad dentro del Proyecto ACES2030.

Así, en la reciente edición del Congreso Eurosun22 que tuvo lugar en la ciudad alemana de Kassel a finales de septiembre (https://www.eurosun2022.org/), la Unidad de Almacenamiento Térmico del CIEMAT presentó dos posters con sus correspondientes artículos donde se presentan resultados relacionados con el desarrollo y la implementación de dicha metodología. En concreto ambos muestran los resultados de los estudios de degradación de distintos ácidos grasos teniendo en cuenta que la evaporación es uno de los principales mecanismos responsables de dicha degradación. En uno de ellos (Kinetic Analysis Of TGA Measurements When Evaporation Is A Degradation Process In PCM) se presenta de forma más detallada cómo abordar el análisis cinético de las medidas de termogravimetría (TGA) cuando la evaporación es uno de los procesos de degradación más importantes o incluso el predominante, cuando un PCM se encuentra en estado líquido y sometido a temperaturas muy superiores a su punto de fusión. En el caso del otro poster (Study of Thermal Degradation of Adipic Acid as PCM Under Stress Conditions: A Kinetic Analysis), se presentan estudios de degradación del ácido adípico que en principio es un PCM con un gran potencial de aplicaciones pues tiene una temperatura de cambio de fase en torno a los 150 ºC y una entalpía de 240 kJ/kg, pero que, sin embargo, sufre una evaporación importante a temperaturas muy cercanas a su punto de fusión.

Del primer trabajo se puede concluir que las condiciones de experimentales de las medidas TGA, tales como dimensiones del crisol y caudal de gas de purga, influyen de forma notable en los resultados de los cálculos cinéticos obtenidos a partir de dichas medidas, sobre todo cuando la evaporación es un proceso de degradación importante o predominante. Por tanto, el análisis cinético debe hacerse teniendo en cuenta dicha evaporación porque si no la extrapolación del comportamiento del PCM a largo plazo puede conducir a resultados y conclusiones erróneos (Figura 1-izquierda).

En el segundo trabajo, la degradación del ácido adípico no solo se estudió mediante TGA sino también haciendo ensayos isotermos dentro de un horno tubular con el fin de tener unas condiciones experimentales más parecidas a las condiciones reales de servicio de un PCM. Ambos tipos de ensayos se analizaron teniendo en cuenta que la evaporación es el principal mecanismo de degradación cuando este PCM está fundido. De los resultados obtenidos en ambos casos se puede concluir que el ácido adípico se evapora rápidamente tras el proceso de fusión y por tanto no es viable su utilización como PCM, al menos en sistemas de almacenamiento que no sean herméticos (Figura 1-derecha).

Figura 1. Velocidad de evaporación del ácido adípico: comparación de las curvas TGA para distintas velocidades de calentamiento con la curva de velocidad calculada teóricamente (izquierda). Predicción de la pérdida de masa de ácido adípico a lo largo de un año cuando permanece fundido a temperatura constante (Tfus+8 ºC +18 ºC and +23 ºC) (derecha).

Contacto

Rocío Bayón, Investigadora del grupo CIEMAT-ATYCOS del Programa ACES2030-CM
Coordina ACES2030-CM: Manuel Romero Álvarez. IMDEA Energía