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Almacenamiento de calor para procesos a alta temperatura
En el curso de la descarbonización industrial, el uso eficiente de la energía térmica se está convirtiendo cada vez más en el centro de atención de la tecnología energética. Sobre todo en el ámbito de las centrales solares de concentración (CSP) y en la industria metalúrgica, existe una necesidad considerable de almacenar altas temperaturas (>600 °C) durante horas o días, tanto para suavizar las fuentes de energía fluctuantes como para recuperar el calor residual industrial. En el procesamiento de metales, por ejemplo, el calor residual generado durante el tratamiento térmico puede almacenarse temporalmente en materiales de almacenamiento y reutilizarse posteriormente para precalentar materiales o en procesos de secado.
Para ello se utilizan acumuladores de calor, que absorben la energía térmica de forma sensible (mediante el aumento de temperatura), latente (mediante el cambio de fase) o química (mediante reacciones reversibles). Las aplicaciones de alta temperatura son especialmente exigentes, ya que requieren materiales de almacenamiento que permanezcan estables desde el punto de vista mecánico, térmico y químico, a lo largo de varios cientos de ciclos de carga y descarga. El principal reto es identificar materiales cuya capacidad de almacenamiento térmico permanezca constante a lo largo de muchos ciclos.
Se presta especial atención a los sólidos como el grafito, los aislantes cerámicos o los sistemas compuestos por estos componentes. Tales materiales ofrecen una amplia gama de aplicaciones como portadores de calor, materiales estructurales o matrices para otras fases funcionales (por ejemplo, sales, óxidos). Sin embargo, su rendimiento no puede evaluarse sólo por la composición química o los puntos de fusión: el comportamiento a largo plazo bajo tensiones térmicas cíclicas es decisivo.
La evaluación sistemática de estas propiedades en la caracterización de materiales se realiza mediante Calorimetría diferencial de barrido (DSC) se utiliza en la caracterización de materiales. Como método de análisis térmico, permite determinar con exactitud la capacidad calorífica, las temperaturas de transición y los cambios de entalpía a lo largo de ciclos de temperatura repetidos. Por tanto, la DSC es una herramienta indispensable para analizar los sistemas materiales en lo que respecta a su resistencia a los ciclos y su estabilidad térmica en el rango de altas temperaturas.
Estudios recientes demuestran que las combinaciones de materiales específicos -como los compuestos cerámico-grafíticos- pueden utilizarse para desarrollar sistemas que presenten un rendimiento térmico constante a pesar de las altas cargas durante cientos de ciclos (Yang et al., 2025; Ran et al., 2020). Este artículo arroja luz sobre los requisitos de tales materiales de almacenamiento térmico, presenta sistemas de materiales relevantes y muestra cómo contribuye la DSC a la evaluación de su idoneidad para el uso.
Requisitos de los acumuladores de calor de alta temperatura
Los acumuladores de calor de alta temperatura deben cumplir requisitos complejos para poder utilizarse con fiabilidad a escala industrial. A diferencia de los acumuladores para temperaturas bajas o medias, como los que se utilizan en los servicios de los edificios, aquí los requisitos principales son la capacidad de carga térmica, la resistencia química y la integridad mecánica a lo largo de muchos ciclos. La elección del material depende en gran medida de estos criterios múltiples.
Requisitos térmicos
La capacidad de absorber y liberar energía térmica de forma eficiente es clave. En el caso del almacenamiento de calor sensible, esto se consigue aumentando la temperatura de un material, y la capacidad calorífica específica (cₚ) determina la cantidad de energía almacenada. Para aplicaciones de alta temperatura, se necesitan materiales cuyos valores de cₚ permanezcan lo más constantes posible en todo el intervalo de temperaturas. Una capacidad calorífica absoluta elevada es deseable, pero es más importante que no disminuya a lo largo de muchos ciclos de carga, aspecto que sólo puede evaluarse claramente mediante mediciones repetidas.
La conductividad térmica también desempeña un papel decisivo: los materiales con baja conductividad no pueden distribuir el calor uniformemente por todo el volumen, lo que provoca gradientes de temperatura no deseados y tensiones en el material. La integración de componentes altamente conductores -como el grafito- puede contribuir de forma selectiva a homogeneizar la distribución de la temperatura.
Estabilidad química y mecánica
Los acumuladores térmicos en aplicaciones industriales de alta temperatura suelen estar expuestos no sólo al calor, sino también a atmósferas reactivas, diferencias de presión o contacto del material con medios metálicos, oxidantes o corrosivos. Por tanto, la resistencia a las reacciones químicas es un requisito básico. La oxidación, la hidrólisis o la formación de fases intermedias inestables pueden provocar la degradación gradual de la capacidad de almacenamiento.
Un ejemplo: el grafito se oxida en una atmósfera de oxígeno a partir de unos 600 °C, lo que limita su uso en muchas aplicaciones sin medidas de protección. En cambio, las cerámicas, especialmente las basadas en SiC o Si₃N₄, desarrollan capas protectoras de SiO₂ a altas temperaturas, que actúan como barrera de difusión e impiden la penetración del oxígeno.
La estabilidad mecánica también es crucial. Los procesos repetidos de calentamiento y enfriamiento provocan dilataciones y contracciones térmicas, que generan tensiones en el material. Los materiales con baja expansión térmica y alta resistencia a la fractura tienen ventaja en este caso. La cerámica ofrece una excelente estabilidad dimensional, mientras que las estructuras flexibles y porosas, como el grafito expandido, pueden absorber parcialmente las tensiones del material.
Evaluación por calorimetría diferencial de barrido (DSC)
Los requisitos mencionados no pueden registrarse únicamente con las hojas de datos de los materiales. Sólo los análisis térmicos cíclicos -como los realizados con DSC- revelan cómo cambian el cₚ, la entalpía o las transiciones de fase en el funcionamiento real. En las mediciones DSC se simulan específicamente varios ciclos de calentamiento/enfriamiento. Las desviaciones en las curvas calorimétricas resultantes indican una disminución del rendimiento o cambios estructurales en una fase temprana.
El DSC es uno de los pocos métodos que pueden registrar simultáneamente estos cambios multifísicos, sobre todo en el caso de nuevas combinaciones de materiales, como los sistemas compuestos de cerámica, grafito y sales. Estudios como el de Yang et al. (2025) o Ran et al. (2020) demuestran que el DSC puede utilizarse para hacer afirmaciones fiables sobre la reversibilidad y estabilidad térmicas de los sistemas materiales, un requisito esencial para el desarrollo de sistemas de almacenamiento térmico de larga duración.
El grafito como material de almacenamiento térmico y matriz
El grafito es uno de los materiales más investigados para el almacenamiento de calor en el rango de altas temperaturas, no sólo por sus propiedades térmicas, sino también por su flexibilidad estructural. En forma porosa o expandida, el grafito puede servir de material matriz para otras sustancias de almacenamiento, como sales u óxidos metálicos, al tiempo que contribuye a la distribución del calor y a la estabilidad estructural .
Conductividad térmica y comportamiento de la temperatura
Una característica clave del grafito es su marcada conductividad térmica anisótropa, que es significativamente mayor en el plano basal (paralelo al plano de la capa) que perpendicular a él. Esto permite una distribución lateral eficaz del calor, lo que resulta especialmente ventajoso en los sistemas de almacenamiento modulares o por capas. La capacidad calorífica específica del grafito es moderada en comparación con otros sólidos, pero aumenta continuamente al aumentar la temperatura, una propiedad que puede aprovecharse para el almacenamiento sensible de calor.
En funcionamiento, se ha demostrado que el grafito permanece térmicamente estable en un entorno de gas inerte durante muchos ciclos de temperatura. Estudios como el de Yang et al. (2025) demuestran que los compuestos de grafito estabilizados con cerámica mantienen su capacidad de almacenamiento casi constante a lo largo de varios cientos de ciclos térmicos. La combinación con materiales cerámicos protege el grafito contra la degradación estructural y también tiene un efecto estabilizador de la temperatura.
Susceptibilidad a la oxidación y medidas de protección
En atmósferas oxidantes -especialmente en presencia de oxígeno atmosférico-, el grafito empieza a oxidarse a temperaturas de unos 600°C. Esto limita gravemente su uso en sistemas abiertos. Esto limita seriamente su uso en sistemas abiertos. Para ampliar los rangos de temperatura de aplicación, a menudo se adoptan medidas de protección pasivantes, por ejemplo:
- Funcionamiento en atmósfera de gas inerte (argón, nitrógeno)
- Incrustación en estructuras cerámicas de revestimiento (por ejemplo, Al₂O₃, SiC)
- Utilización de sistemas de revestimiento con propiedades inhibidoras de la difusión
Un ejemplo práctico es el trabajo de Ran et al. (2020)en el que se combinó grafito expandido con sales eutécticas y aditivos cerámicos. Los compuestos no sólo mostraron una conductividad térmica mejorada en comparación con los sistemas de sales puras, sino que también aumentaron significativamente la estabilidad del ciclo. La función del grafito en este caso era tanto absorber la sal como mejorar la distribución del calor en el volumen. El análisis térmico mediante DSC demostró que la entalpía almacenada se mantuvo prácticamente constante durante decenas de ciclos.
Escenarios de aplicación e integración de materiales
Además de su papel como material de almacenamiento activo, el grafito también puede servir como soporte estructural en compuestos de materiales más complejos. Especialmente en los sistemas de almacenamiento de alta temperatura basados en módulos, como los utilizados en las centrales ESTC o en los sistemas de calor de procesos industriales, el grafito puede utilizarse para realizar vías conductoras térmicas dentro de un sistema que, de otro modo, sería aislante.
La integración de estructuras porosas de grafito también permite la impregnación con componentes PCM o el acoplamiento con medios de almacenamiento metálicos. El grafito actúa como un medio de moldeo que combina la funcionalidad térmica y mecánica en un solo componente.
Aisladores cerámicos: estructura, protección y estabilidad en tanques de almacenamiento a alta temperatura
Los materiales cerámicos desempeñan un papel estratégicamente importante en el contexto del almacenamiento de energía térmica en el rango de altas temperaturas, no principalmente como almacenamiento de energía, sino como componentes estructurales, térmicos y de estabilización química. Se utilizan en forma de matrices, capas o incrustaciones funcionales y contribuyen decisivamente a la durabilidad y seguridad de los sistemas de almacenamiento térmico.
Propiedades térmicas y límites de aplicación
Las cerámicas típicas de alto rendimiento, como el óxido de aluminio (Al₂O₃), el óxido de circonio (ZrO₂) o el carburo de silicio (SiC), se caracterizan por su resistencia a temperaturas extremas (>1500 °C), su baja conductividad térmica (normalmente <10 W/m-K) y su muy baja dilatación térmica. Estas propiedades los predestinan como aislantes térmicos en unidades de almacenamiento modulares, especialmente para separar zonas conductoras y almacenadoras de calor o para apantallar materiales sensibles.
La baja conductividad térmica contrarresta la liberación indeseada de calor al medio ambiente, mientras que la alta estabilidad dimensional garantiza la integridad mecánica a lo largo de muchos ciclos. Bajo tensiones térmicas repetidas -como es típico en la operación de carga/descarga de tanques de almacenamiento a alta temperatura- estos materiales no muestran cambios estructurales relevantes.
Estabilidad química: pasivación y barrera de difusión
Otra ventaja de los aislantes cerámicos es su inercia química a los medios oxidantes, corrosivos o reactivos. Esto es especialmente relevante cuando se utilizan en combinación con materiales como el grafito, que se oxida en contacto con el oxígeno por encima de 600 °C. En tales condiciones, las cerámicas como el SiC o el Si₃N₄ formancapas pasivantes de óxido de silicio (SiO₂) en su superficie. Éstas actúan como barrera de difusión contra el oxígeno, lo que también puede proteger de la oxidación a los materiales vecinos.
Por tanto, en los sistemas compuestos, estas cerámicas cumplen una doble función: por un lado, actúan como estructura de soporte mecánico y, por otro, como coraza químicamente inerte que protege los núcleos de grafito o los componentes PCM de las influencias ambientales, por ejemplo. Esto crea un microentorno controlado que prolonga considerablemente la vida útil de todo el sistema.
Función estructural en materiales compuestos
La cerámica puede estructurarse de forma específica -por ejemplo, en forma de materiales portadores porosos, placas, panales o sólidos a granel- y permite así un diseño preciso del flujo de calor en el acumulador. Junto con componentes conductores térmicos como el grafito, se crean sistemas híbridos en los que se combinan funcionalmente las ventajas de ambos materiales: resistencia mecánica y estabilidad química por parte de la cerámica, distribución del calor y almacenamiento de energía por parte del grafito.
Un ejemplo de éxito es el trabajo de Ran et al. (2020)en el que los componentes cerámicos estaban embebidos en un sistema de sal-grafito. La matriz cerámica garantizaba una distribución uniforme del material de almacenamiento, reducía las tensiones termomecánicas y, al mismo tiempo, mejoraba la resistencia a la oxidación de todo el cuerpo compuesto. La estabilidad a largo plazo se confirmó mediante mediciones DSC a lo largo de muchos ciclos de temperatura.
| Graphite | 0.7–1.0 | >100 | High | Low (oxidation-prone) |
| Aluminum oxide (Al₂O₃) | 0.8–1.1 | <10 | High | High |
| Ceramic–graphite composite | variable | medium to high | High | adaptable (via composition) |
Calorimetría diferencial de barrido (DSC): la clave para evaluar la estabilidad del ciclo
El desarrollo de materiales de almacenamiento térmico de ciclo estable para el rango de altas temperaturas depende de métodos de análisis fiables que cuantifiquen con precisión las propiedades térmicas. La calorimetría diferencial de barrido (DSC ) se ha consolidado como uno de los métodos de ensayo clave en este sentido. Permite determinar las transiciones de fase, los cambios de entalpía y la capacidad calorífica específica (cₚ) de los materiales en función de la temperatura y en ciclos de carga repetidos.
Principio del DSC
El DSC mide la diferencia de flujos de calor entre una muestra y una referencia mientras ambas se calientan o enfrían a una temperatura definida de forma controlada. Los cambios en el flujo de calor indican transiciones físicas o químicas en la muestra, por ejemplo:
- Procesos endotérmicos: por ejemplo, fusión, cambio de fase
- Procesos exotérmicos: por ejemplo, cristalización, reacciones
- Cambios del cₚ en función de la temperatura
La forma en que estas propiedades térmicas cambian a lo largo de muchos ciclos es especialmente interesante para la evaluación de los acumuladores de calor de alta temperatura. Aquí es precisamente donde reside la fuerza del DSC: repitiendo ciclos de calentamiento/enfriamiento, es posible determinar si un material pierde rendimiento y con qué rapidez, por ejemplo debido a cambios estructurales, oxidación o separación de fases.
Aplicación en materiales de alta temperatura
En el caso de materiales como el grafito, los compuestos cerámica-grafito o los compuestos que contienen PCM, el DSC puede utilizarse para analizar parámetros clave como la capacidad calorífica y las temperaturas de transición, no sólo en estado fresco, sino también después de muchos ciclos térmicos. Por ejemplo, es posible ver si la entalpía almacenada disminuye con el tiempo o si se desplaza el intervalo de temperaturas en el que se produce una transición de fase.
En el trabajo de Yang et al. (2025) Se probaron compuestos de grafito estabilizados con cerámica en varios ciclos de calentamiento/enfriamiento. Los resultados del DSC mostraron un rendimiento térmico estable a lo largo de varios cientos de ciclos, sin desviaciones significativas de la capacidad calorífica ni del comportamiento de fusión. Estos resultados no sólo demuestran la idoneidad del material, sino también la validez del DSC como método de ensayo.
Se puede encontrar un enfoque similar en Ran et al. (2020)que analizó una matriz eutéctica de sal-grafito-cerámica. También en este caso se utilizó el DSC para comprobar la reversibilidad de las transiciones térmicas a lo largo de repetidos esfuerzos de temperatura, con resultados positivos en cuanto a la estabilidad del ciclo.
Importancia y límites
Las ventajas de la DSC en el cribado de materiales son
- Alta sensibilidad a los pequeños efectos térmicos
- Protocolos de prueba ciclables para simular cargas de almacenamiento reales
- Determinación cuantitativa de la capacidad calorífica y la entalpía
- Amplia aplicabilidad de temperatura (hasta >1500 °C según el aparato)
Al mismo tiempo, existen limitaciones: Pueden producirse imprecisiones en las mediciones a temperaturas extremadamente altas o con muestras muy grandes, así como con materiales muy anisótropos con una conductividad térmica elevada. En tales casos, tiene sentido una combinación con otros métodos, como la termogravimetría (TG) o las mediciones dilatométricas.
Conclusión y perspectivas: Evaluar sistemáticamente el almacenamiento de calor
El almacenamiento selectivo de calor en el rango de altas temperaturas es una cuestión clave para los procesos industriales y los sistemas de energías renovables. En aplicaciones como la energía solar por concentración (CSP) o la industria metalúrgica, las soluciones de almacenamiento altamente eficientes pueden ayudar a reducir las pérdidas de energía, amortiguar los picos de carga y proporcionar calor de proceso en función de la demanda.
El análisis lo demuestra: Ni el grafito ni los materiales cerámicos cumplen todos los requisitos de forma aislada. Sin embargo, su combinación en materiales compuestos permite combinar de forma selectiva la conductividad térmica, la capacidad de almacenamiento y la estabilidad química. La cerámica ofrece resistencia estructural y protección química, mientras que el grafito distribuye y almacena eficazmente el calor como matriz o aditivo.
La estabilidad del ciclo es fundamental para la selección del material: un acumulador de calor sólo es adecuado para su uso práctico si ofrece un rendimiento constante a lo largo de muchos procesos de carga y descarga. La calorimetría diferencial de barrido (DSC ) contribuye decisivamente en este sentido: hace visibles las caídas de rendimiento en una fase temprana, cuantifica valores característicos relevantes como la capacidad calorífica y la entalpía, y permite la comparación directa de distintos sistemas de materiales en condiciones realistas.
Las obras citadas por Yang et al. (2025) y Ran et al. (2020) muestran cómo pueden desarrollarse materiales de almacenamiento altamente estables mediante combinaciones de materiales específicas y análisis precisos. Estos descubrimientos se incorporan cada vez más al desarrollo de materiales para soluciones de almacenamiento industrial.
Perspectivas
Los desarrollos futuros se centrarán en los siguientes aspectos:
- Escalabilidad y producción de materiales compuestos de coste optimizado
- Métodos de ensayo normalizados para una evaluación comparable de la estabilidad cíclica
- Pruebas de larga duración en condiciones reales de funcionamiento
- Combinación del DSC con otros métodos analíticos (por ejemplo, TG, difractometría de rayos X)
Con vistas a la aplicación industrial, está claro que la ciencia de los materiales puede contribuir significativamente a aumentar la eficacia, durabilidad y fiabilidad operativa de los sistemas de almacenamiento térmico con análisis sistemáticos como el DSC. Esto la convierte en parte integrante de los sistemas energéticos sostenibles, desde la escala de laboratorio hasta la industrial.
Referencias
- Yang, X. y otros (2025): Compuestos de cerámica-grafito autocalentables con capacidad estable de almacenamiento de energía térmica, ACS Energy Letters, 10(3), 1234-1242. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c03270
- Ran, X., Wang, H., Zhong, Y., Zhang, F., Lin, J., Zou, H., Dai, Z., & An, B. (2021). Propiedades térmicas de los materiales de cambio de fase compuestos de sales eutécticas/cerámica/grafito expandido para el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura. Materiales de Energía Solar y Células Solares, 231, 111047. DOI: 1016/j.solmat.2021.111047
