El próximo año está a la vuelta de la esquina, y con un quinto de siglo a las espaldas algunos comienzan a preguntarse qué viene después del llamado “Horizonte 2020”. Por si este término resulta extraño, se trata de una iniciativa con la que la Unión Europea ha ofrecido durante seis años financiación a gran variedad de proyectos de investigación, con el fin de “abordar los principales retos sociales, promover el liderazgo industrial en Europa y reforzar la excelencia de su base científica” (https://eshorizonte2020.es/). Incentivando la ciencia y la industria, ha buscado en todo momento llegar a los ciudadanos, generando soluciones eficientes y reales a temas como el envejecimiento saludable o la protección informática.

Otro concepto quizás más presente en nuestro vocabulario habitual es el famoso cambio climático, una lacra medioambiental que no solo Europa sino prácticamente todo el planeta lleva tratando de combatir mediante pactos y estrategias, como el protocolo de Kioto o el acuerdo de París. Inmerso en semejante marco internacional, el Horizonte 2020 ha prestado especial atención a este problema, marcando una serie de objetivos energéticos a cumplir antes del año 2020. Su sucesor, el Horizonte Europa, recogerá el testigo a partir del año que viene.

¿Cómo se ha planteado semejante labor? Entre las distintas propuestas, se ha buscado dar un impulso a las energías renovables, otro término en boca de todos. Es común ver aerogeneradores cortando el horizonte y paneles solares oscureciendo los tejados. Quizás la mayoría de la población desconozca los detalles de su funcionamiento, pero se sabe que son formas eficientes y ecológicas de obtener energía. Efectivamente, son de una alternativa muy interesante al consumo de combustibles fósiles, y por ello merecen atención. Sin embargo, hay que reconocer que no son perfectas. Tienen potencial, pero queda mucho por hacer.

Pongamos un ejemplo para ilustrar uno de sus principales inconvenientes. Susana es una mujer que, tras informarse sobre la situación energética actual, decide instalar un panel solar en su casa. La función de dicho panel es aprovechar la energía que procede del sol y transformarla en otro tipo de energía que pueda ser utilizada más fácilmente, como por ejemplo energía eléctrica.

Tras un tiempo, Susana se da cuenta de que no está aprovechando el panel solar. Éste produce mucha energía durante las horas del día, que es cuando hay sol. Sin embargo, ella consume más energía cuando llega a casa por la noche (cuando enciende las luces, cocina la cena, se ducha con agua caliente y se relaja viendo la televisión en el sofá), y en ese momento la producción del panel solar es nula, porque no hay luz solar. Aquí radica el problema: el panel genera mucha energía cuando no hay consumo, y no la genera cuando más se necesita.

El Horizonte 2020 ha estado promoviendo iniciativas que solventasen este desacoplamiento entre la generación de energía y su consumo. Una opción es utilizar baterías eléctricas en las que almacenar la energía producida durante el día hasta su consumo durante la noche, y

efectivamente se ha llevado a cabo mucha investigación sobre el empleo de esta clase de baterías y formas de mejorar su rendimiento.

Sin embargo, existe una alternativa que no es muy conocida y sin embargo está experimentando un auge importante durante los últimos años: el almacenamiento de energía térmica. Todos estamos de acuerdo en que el sol calienta, y por eso buscamos las zonas soleadas cuando hace frío y las evitamos cuando hace calor. Dicho calor es, en el fondo, energía solar que se manifiesta en una subida de la temperatura. ¿Por qué no aprovechar también esa forma de energía?

Almacenamiento de energía térmica: almacenar la energía en forma de calor. Veamos cómo esto es posible sin dejar que la termodinámica nos asuste.

Susana ha decidido profundizar en este tema, y le han explicado cómo entenderlo utilizando como ejemplo el congelador de su casa. La función de un congelador es disminuir la temperatura de los alimentos que Susana coloca en su interior. Temperatura y energía están íntimamente relacionados: menos temperatura implica menos energía. Por tanto, lo que hace un congelador es extraer la energía de los alimentos que se depositan en él.

Cuando Susana llena un vaso con agua caliente y lo coloca dentro del congelador, al cabo de un tiempo ese agua se congela. ¿Qué ha sucedido? Ese agua, al estar caliente, tiene mucha energía, y cuando el congelador extrae esa energía, el agua se convierte en hielo a baja temperatura, que en el fondo es agua con poca energía. Dicho de otra forma: cuando el agua en estado líquido pierde energía, no solo disminuye su temperatura (se enfría), sino que además pasa a convertirse en hielo, que es agua en estado sólido. Por tanto, cuando el congelador extrae energía del agua, se producen dos fenómenos: el agua disminuye su temperatura y además pasa de estado líquido a estado sólido.

A continuación, Susana saca el vaso del congelador, y lo deja en la encimera de la cocina. Al cabo de un rato, el hielo, sólido y frío, se ha transformado en agua líquida y caliente (o al menos no tan fría como dentro del congelador). En este caso se ha producido el fenómeno contrario: el hielo, que es agua con poca energía, ha empezado a absorber energía del ambiente, y este aumento de energía ha producido, por un lado, un aumento de la temperatura y, por otro, un cambio de estado, esta vez el opuesto (de sólido a líquido).

El siguiente paso de este razonamiento es la clave para entender el almacenamiento de energía térmica: la cantidad de energía que el agua pierde cuando se enfría y se congela es la misma cantidad de energía que el agua gana cuando se calienta y se funde. Siendo honestos, no es la misma cantidad de energía, hay ciertas pérdidas, pero para lo que queremos explicar, basta con entender que el vaso de agua del ejemplo funciona como una especie de batería térmica recargable: cuando el agua se congela, cede energía, y cuando se funde, absorbe energía.

Ilustración 1: Relación entre la energía y el cambio de estado del agua (o cualquier material empleado)

Son varias las iniciativas que buscan sacarle partido a este fenómeno. Cuando la energía se almacena subiendo la temperatura de una sustancia, se está aprovechando el llamado “calor sensible”, y cuando además hay un cambio de estado, se aprovecha el “calor latente”. Así, dentro del almacenamiento de energía térmica, hay dos ramas: el almacenamiento en forma de calor sensible y en forma de calor latente.

Parte de la comunidad científica ha centrado su atención en la segunda de estas ramas, ya que presenta ciertas ventajas con respecto a la primera, como un menor volumen necesario para el almacenamiento de energía y un menor rango de temperaturas necesario para el almacenamiento.

Teniendo todo esto en cuenta, Susana ha decidido colocar junto a su panel solar un tanque de almacenamiento de energía térmica mediante calor latente. Así, cuando el panel está produciendo energía en exceso, parte de esa energía se utiliza para fundir una sustancia dentro del tanque de almacenamiento que, al recibir esa energía, aumenta su temperatura y pasa al estado líquido. Cuando, por la noche, Susana decide darse una ducha, la sustancia cede esa energía que tiene acumulada cambiando de nuevo al estado sólido, y así el tanque entrega una energía que puede ser aprovechada durante las horas sin sol.

Así, Susana ha conseguido aprovechar la energía procedente del sol cuando no hay sol. Esa energía que su panel iba a producir durante el día y no iba a poder aprovechar, se ha almacenado hasta la noche, cuando sí realiza un consumo importante.

Las sustancias empleadas para este tipo de almacenamiento se llaman materiales de cambio de fase, o PCM por sus siglas en inglés (“Phase Change Materials”), y hoy en día existe una amplia variedad de artículos en torno a ellos: qué tipos de PCM utilizar dependiendo de la función deseada, cómo mejorar sus propiedades, características que presentan cuando se mezclan, en qué situaciones están siendo utilizados…

Resultan unas sustancias tan interesantes que cada vez surgen más formas de utilizarlos: en  los muros de los edificios para aumentar la inercia térmica (y ahorrar en calefacción), en

cantimploras que mantengan durante más tiempo el agua a bajas temperaturas, en prendas  de ropa que abriguen mejor, en vasos que enfríen la cerveza en cuestión de tres minutos, y todo ello sin mencionar las muchas aplicaciones industriales en las que están empezando a usar.

El Horizonte 2020 termina, pero la carrera por evitar el cambio climático continua. Se ha avanzado considerablemente, pero queda trabajo por hacer, y en este intento por mejorar las energías renovables el almacenamiento de energía térmica tiene mucho que decir.

Sin duda, el futuro de los PCM no va a dejarnos fríos.