El agua se utiliza ampliamente como portador de calor; hoy en día, en el proyecto Optimus, los investigadores del Fraunhofer ISE están colaborando con socios industriales para desarrollar emulsiones de materiales de cambio de fase (PCM) de alta densidad de almacenamiento, para su uso en edificios, sistemas industriales, bombas de calor y enfriamiento de baterías de automóviles.

Las emulsiones PCM son combinaciones de parafina con agua o mezclas de agua-glicol etilénico; agregar glicol etilénico previene el congelamiento de la mezcla, principalmente para aplicaciones en transporte. Los investigadores utilizan parafina dispersa o emulsionada en agua o mezclas de agua-glicol etilénico; los surfactantes estabilizan las gotas ultrafinas de parafina en el agua, haciendo que la mezcla tenga estabilidad térmica y mecánica, y la emulsión aprovecha la alta densidad de energía de la parafina durante el cambio de fase.

El científico investigador del Instituto Fraunhofer de Sistemas Solares, Stefan Gschwander, explicó que emulsionar parafina en agua mantiene el estado líquido independientemente de la fase, sirviendo como fluido de transferencia de calor en redes de calefacción y refrigeración, bombeado a través de tuberías. Durante el cambio de fase, incluso sin cambio de temperatura, el PCM absorbe o libera grandes cantidades de calor, logrando el doble de la densidad de almacenamiento del agua sin cambio de volumen.

Además de la alta densidad de almacenamiento, las emulsiones PCM tienen muchas ventajas. Su alta capacidad de almacenamiento de calor permite diseños de sistemas más compactos y tiene alta capacidad calorífica a bajas diferencias de temperatura. Gschwander dijo que el PCM es especialmente adecuado para escenarios con diferencias de temperatura extremadamente pequeñas, como el enfriamiento de edificios o aire acondicionado, lo que es una verdadera ventaja sobre los sistemas de aire acondicionado tradicionales.

En este proyecto, los socios están desarrollando emulsiones PCM con rangos de temperatura de fusión de 12°C a 18°C, 20°C a 28°C y 45°C a 50°C, aplicables a aire acondicionado de edificios, instalaciones industriales, enfriamiento de baterías y bombas de calor, entre otros.

Todas las emulsiones desarrolladas se probaron termomecánicamente en un circuito hidráulico equipado con bombas centrífugas, válvulas, tanques de expansión de diafragma e intercambiadores de calor de placas, capaces de soportar hasta 100.000 ciclos. Los investigadores primero desarrollaron, caracterizaron y probaron emulsiones PCM a escala de laboratorio, con un volumen de producción de 5 litros, y luego escalaron a escala piloto, con un volumen de 100 litros.

A continuación, se planea colaborar con el socio industrial H&R Wax & Specialties GmbH para escalar aún más a nivel de metros cúbicos, logrando producción a mayor escala y verificando su aplicación en aire acondicionado interior o almacenes de enfriamiento de procesos.

Inicialmente, las emulsiones PCM se utilizarán en dos proyectos demostrativos. Uno almacenará el calor residual generado por la sala de servidores de un edificio de tribunales durante el proceso de calefacción activa, transfiriéndolo a través de la emulsión al suministro de aire para calentar el edificio; el segundo enfriará máquinas de inyección de plástico y liberará el calor almacenado durante las horas pico por la noche al aire exterior fresco. Actualmente, los investigadores están optimizando la fórmula para mejorar la estabilidad y la densidad de almacenamiento.