Por: Francis Vásquez.
De acuerdo a la Agencia Internacional de la Energía (AIE), el sector de la construcción representa el 30% del consumo de energía primaria a nivel mundial y, la industria, alrededor del 40% [1]. En Ecuador por su parte, de acuerdo a la Agencia de Regulación y Control de Electricidad (ARCONEL) el consumo eléctrico del sector edificado representa el 60% del total de energía consumida y el sector industrial el 26% [2]. De igual manera, el consumo eléctrico se ha duplicado en la última década y la perspectiva indica que seguirá aumentando en un 4% anualmente [3].
La elevada demanda energética del sector de la construcción y la industria ofrecen grandes oportunidades para la aplicación de medidas de eficiencia energética. Una alternativa de alto potencial es aplicar materiales de cambio de fase (MCF) para mejorar la eficiencia de los sistemas industriales y disminuir la demanda térmica de los sistemas de aire acondicionado.
Los MCF son materiales “inteligentes” con alta capacidad de almacenar calor. El “secreto” tiene que ver con el cambio de estado, es decir, absorben o ceden calor cuando pasan de estado sólido a líquido o viceversa [4], el ejemplo más común de un MCF es el agua, ver Figura 1.
Figura 1: Ejemplo de la curva de calentamiento del agua desde el estado sólido (hielo) hasta su estado gaseoso (vapor). Modificado de [5].
En el sector industrial, como por ejemplo, en las plantas de cogeneración (producción de calor y electricidad) los MCF se usan para almacenar la energía térmica recuperada de los gases de escape de las turbinas o motores. En los tanques de almacenamiento de agua de los sistemas solares térmicos, los MCF se usan para mantener el agua caliente por más tiempo y satisfacer la demanda nocturna. Otros ejemplos de esta aplicación son: en la industria automovilística; en los sistemas de aire acondicionado; en el transporte de alimentos y medicinas para almacenamiento en frío, entre otras.
En este sentido, la Figura 2 muestra uno los proyectos desarrollados por el Instituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE), el cual tiene el objetivo de almacenar el calor residual producido por los gases de escape de una planta de cogeneración aplicando MCF.
Figura 2: Aplicaciones de materiales de cambio de fase en la industria para el almacenamiento del calor recuperado de los gases de escape en plantas de cogeneración. Recuperado de [6].
Por otro lado, en la construcción, se puede conseguir que las paredes o el suelo de una vivienda acumulen calor durante el día y que luego lo liberen en la noche cuando la temperatura disminuye.
En Ecuador no se ha desarrollado suficiente investigación para cuantificar el potencial de ahorro energético, pero existen resultados relevantes de caracterización de MCF para aplicaciones industriales y en la construcción. El potencial de ahorro energético en la industria y edificaciones estaría en alrededor del 30% [7] [8] . Para la industria, algunas sales de nitrato y diatomitas han sido caracterizadas como MCF para lograr un 20% de ahorro energético [9]. En la construcción, los MCF mejoran el confort térmico de las personas en viviendas sociales, sin sistemas de aire acondicionado, reduciendo las horas de incomodidad hasta un 30% [10]. En otros casos se ha evidenciado que usar MCF en las paredes de los edificios puede reducir el consumo hasta un 30% de energía para calefacción y un 8% en enfriamiento de espacios [11].
Una limitante a nivel nacional para la aplicación de MCF es la baja producción y su alto costo de importación. En países como Alemania y El Reino Unido existen empresas bien desarrolladas que ofrecen materia prima en base a MCF. Por ejemplo para el almacenamiento de energía en plantas industriales se disponen materiales en base a sales hidratadas con costos que rodean los USD 185/m2[12]. Para la construcción se puede encontrar materiales para cualquier elemento de la envolvente de la edificación, por ejemplo los paneles de yeso que incluyen MCF su costo va desde los USD 70/m2 [13]. Si los materiales son importados estos costos se pueden incrementar hasta en un 100%, pero si se incentiva a la producción nacional y más aún si se produce materiales que son desechos en procesos industriales como por ejemplo el blanqueo del aceite de palma, estos costos pueden ser mucho menores. Aunque actualmente no se aplican MCF en la construcción e industria ecuatoriana, si se han desarrollado estudios de caracterización térmica de diatomitas recicladas del proceso de blanqueo de aceite de palma [9] y han sido evaluadas mediante simulación energética de edificios en varias zonas climáticas del país [14].
En este sentido, el sector industrial debería contar con políticas, de mandatorio cumplimiento, que permitan regular su consumo energético, así como, brindar incentivos o certificaciones de eficiencia energética regionales para fomentar la aplicación y desarrollo de nuevos materiales.
Para el sector de la construcción sucede algo similar. Si bien se ha fomentado la construcción eficiente en Quito mediante incentivos no económicos, como facilidades de construcción vertical a lo largo del corredor del metro, se deberían implementar un mayor número de estudios técnicos comparativos de buenas prácticas que permitan proponer legislación obligatoria para la construcción sostenible de viviendas de interés social. Al ser un sector vulnerable y conociendo la situación económica nacional, no todas las familias tienen acceso a un sistema de climatización, para ello, la etapa de diseño debería considerar estrategias de eficiencia energética, como la aplicación MCF en la envolvente para mejorar el confort térmico de las personas y para evitar la adquisición de sistemas de climatización.
Referencias
[1] I. Agencia Internacional de la Energía, “Data and statistics,” 2020. [Online]. Available: https://www.iea.org/data-and-statistics/?country=WORLD&fuel=Energy consumption&indicator=TFCShareBySector.
[2] ARCONEL, “Balance Nacional de Energía Eléctrica,” 2020.
[3] ARCONEL, “Estadística anual y multianual del sector eléctrico ecuatoriano,” p. 180, 2019.
[4] S. Raoux, “Phase Change Materials,” Annu. Rev. Mater. Res., vol. 39, no. 1, pp. 25–48, Jul. 2009.
[5] M. Moscoso, “APLICACIÓN DE LOS MATERIALES DE CAMBIO DE FASE EN EL MOBILIARIO INTERIOR COMO REGULADORES DE TEMPERATURA,” Escola Tècnica Superior d’Arquitectura de Barcelona, 2016.
[6] Instituto de Investigacion Geológico y Energético, “Sistema de almacenamiento de calor en intercambiadores de calor para mantener la inercia de operación-Planta Termoeléctrica Quevedo II.” 2019.
[7] G. A. Kilic, E. Yalcin, and A. A. Aydin, “Optimum operating temperature range of phase change materials used in cold storage applications: A case study,” Green Energy and Technology. pp. 711–726, 2020.
[8] K. Merlin, J. Soto, D. Delaunay, and L. Traonvouez, “Industrial waste heat recovery using an enhanced conductivity latent heat thermal energy storage,” Appl. Energy, vol. 183, pp. 491–503, 2016.
[9] K. Acurio, A. Chico-Proano, J. Martínez-Gómez, C. F. Ávila, Á. Ávila, and M. Orozco, “Thermal performance enhancement of organic phase change materials using spent diatomite from the palm oil bleaching process as support,” Constr. Build. Mater., vol. 192, pp. 633–642, 2018.
[10] A. Al-Janabi and M. Kavgic, “Application and sensitivity analysis of the phase change material hysteresis method in EnergyPlus: A case study,” Appl. Therm. Eng., vol. 162, 2019.
[11] S. Esbati, M. A. Amooie, M. Sadeghzadeh, M. H. Ahmadi, F. Pourfayaz, and T. Ming, “Investigating the effect of using PCM in building materials for energy saving: Case study of Sharif Energy Research Institute,” Energy Sci. Eng., vol. 8, no. 4, pp. 959–972, 2020.
[12] E. P. S. Ltd, “PCM (Phase Change Material),” 2020. [Online]. Available: http://www.epsltd.co.uk/pcm.htm.
[13] BASF, “Productos,” 2020. [Online]. Available: https://www.basf.com/ec/es.html.
[14] H. Sebastían, R. Espinosa, C. Vallejo-coral, M. Darío, and O. López, “Evaluación de materiales de cambio de fase en zonas climáticas del Ecuador,” 2019.
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