Al Calor de los PCM

¿Ha escuchado hablar de los PCM? Si no, aquí le contamos de qué se trata. La sigla corresponde a la frase inglesa “Phase Change Materials” e identifica a los denominados “materiales de cambio de fase”, los cuales son capaces de almacenar y liberar una cantidad importante de energía térmica mediante un cambio en su estado de agregación, como por ejemplo de sólido a líquido y viceversa. Estos materiales son el corazón de los dispositivos de almacenamiento de energía térmica de calor latente, a los cuales también se les llama “baterías térmicas” por su similitud con las baterías eléctricas.

Las baterías térmicas con PCM permiten aprovechar la energía termosolar, así como los excesos de energía, y pueden adaptar los periodos de suministro y demanda energética, por lo que tienen un gran potencial para mejorar la eficiencia energética. La cantidad de energía almacenada está determinada por la entalpía de cambio de fase del PCM y es 3 a 4 veces superior a la energía por unidad de volumen almacenada en sistemas de calor sensible, como un estanque de agua. Además, la carga y descarga del dispositivo ocurre en un rango de temperaturas muy estrecho, definido por la temperatura de cambio de fase de estos materiales (ver figura adjunta).

Proyecto UDT UdeC

Los PCM más utilizados en aplicaciones de baja temperatura (< 90°C) son ceras parafínicas, ácidos grasos y sales hidratadas. La masificación del uso de baterías térmicas con estos materiales en sistemas de calefacción termosolar se ve limitada por sus altos costos.

En ese contexto, la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de la Universidad de Concepción (UdeC), con el apoyo de la empresa Quimtec Ltda., se planteó el desafío de desarrollar PCM de bajo costo, mediante la pirólisis de residuos plásticos (polietileno residual). Esta investigación fue financiada por ANID, a través del proyecto Fondef IDeA en dos etapas ID15i10496/ID15i20496: “Desarrollo de materiales de cambio de fase para almacenamiento térmico de energía a baja temperatura”.



Los PCM desarrollados por la UDT consisten en ceras parafínicas (n-parafinas y 1-olefinas desde C20 hasta C40) obtenidas de la pirólisis de polietileno (PE) residual. La pirólisis ocurre en vacío y a una temperatura cercana a los 500 °C. Dependiendo de la calidad del PE residual, se pueden lograr rendimientos de cera cruda de hasta un 60%.

La cera cruda pirolítica es refinada en una etapa posterior, para obtener dos fracciones de ceras parafínicas apropiadas para la formulación de PCM: una con rangos de fusión entre 40 y 60 °C y entalpía de cambio de fase de 150 kJ/kg, y otra más pesada con rango de fusión 50 a 70 °C y entalpía de cambio de fase de 200 kJ/kg.

Los PCM fueron formulados mediante la encapsulación de la cera en polietileno de alta densidad reciclado (HDPE), logrando un material compuesto en forma de pellet.

Calefacción Limpia y Eficiente

El desempeño de los materiales de cambio de fase fue evaluado en un sistema de calefacción termosolar compuesto por un colector solar, una batería térmica con PCM encapsulado y un radiador convencional de calefacción (ver imagen principal). Este sistema permitió mantener una habitación de 36 m2 a la temperatura de confort (20 a 21 °C) por más de 3 horas para temperatura ambiente entre 10 y 15 °C.

Lecho de PCM encapsulado en una batería térmica.

Las baterías térmicas con PCM abren una oportunidad para la calefacción sustentable de las viviendas, aprovechando la radiación solar como fuente energética renovable y limpia, en reemplazo de combustibles fósiles o leña, con beneficios ambientales relevantes. Esta alternativa cobra más sentido en la medida que se avanza en la construcción de viviendas energéticamente eficientes, tal como lo promueve el programa de Calificación Energética de Viviendas.

Por otra parte, la formulación de PCM a partir de plásticos residuales es una solución a la disposición de estos residuos en rellenos sanitarios y aporta al desarrollo de una economía circular y a la sustentabilidad del sector energético del país.

Artículo publicado en InduAmbiente N° 172 (septiembre-octubre 2021), págs. 46-47.