Validar un material de almacenamiento térmico exige someterlo a miles de ciclos de carga y descarga en condiciones controladas y repetibles. Ese equipo no existe en catálogo: hay que diseñarlo.
En SDEA hemos desarrollado la ingeniería completa y la fabricación de una planta piloto de ciclado térmico que trabaja entre 15 °C y 300 °C, con dos depósitos de ensayo independientes y 30 kW de potencia de calentamiento, para un centro de investigación y ensayos. Del diseño de proceso a la automatización. Estas son las decisiones de ingeniería que hay detrás.
El reto: validar el material antes de escalarlo
El almacenamiento de energía térmica es una de las piezas que faltan para aprovechar de verdad las renovables en procesos industriales. Permite desacoplar el momento en que la energía está disponible del momento en que el proceso la necesita. El cuello de botella no está en el concepto, sino en los materiales: hasta que un material no demuestra que aguanta miles de ciclos de carga y descarga sin degradarse, no puede escalarse a una aplicación industrial.
Y para demostrarlo hace falta una instalación capaz de reproducir con precisión las condiciones reales de operación, ciclo tras ciclo, durante semanas. Ese es exactamente el encargo que recibimos.
Qué incluyó el proyecto
El alcance fue la instalación completa, no el suministro de equipos:
- Ingeniería de proceso y definición de los modos de operación.
- Cálculo hidráulico y dimensionamiento del circuito.
- Diseño mecánico del bastidor, los depósitos y el trazado de tuberías.
- Selección e integración de equipos principales y auxiliares.
- Instrumentación y arquitectura de control.
- Desarrollo de la automatización y del interfaz de operación.
- Fabricación, montaje y pruebas de aceptación en fábrica (FAT).
Plazo de ejecución, de encargo a FAT: 5 meses.
Una planta modular para calor sensible y calor latente
La instalación permite caracterizar materiales que almacenan energía de dos formas distintas. Por calor sensible, cuando el material acumula energía subiendo de temperatura sin cambiar de estado. Y por calor latente, cuando la acumula al cambiar de fase, típicamente al fundir, manteniendo la temperatura prácticamente constante. Son dos comportamientos térmicos muy diferentes y una misma planta tenía que poder ensayar ambos.
La arquitectura se resolvió con tres módulos integrados:
- Unidad de Control de Temperatura (TCU): calienta el aceite térmico mediante resistencias eléctricas y fija la temperatura de consigna del circuito.
- Chiller: extrae calor durante las fases de enfriamiento y permite cerrar el ciclo completo.
- Bastidor de ensayos: aloja los depósitos con las muestras, el circuito hidráulico, las válvulas motorizadas y la instrumentación de proceso.
El aceite térmico actúa como fluido caloportador y transporta la energía entre módulos. Toda la instalación ocupa 2,5 m × 1,7 m × 2 m.
El circuito térmico: tres modos de operación en una sola planta
La parte más exigente del proyecto fue el circuito hidráulico, porque tenía que dar servicio a tres formas distintas de operar sin duplicar equipos:
- Calentamiento: la TCU impulsa aceite caliente hacia los depósitos, con rampas de temperatura programables.
- Enfriamiento: el chiller extrae calor del circuito para completar la fase de descarga.
- Trasvase: la energía se mueve de un depósito a otro, lo que permite estudiar el intercambio entre materiales y reproducir escenarios de operación reales.
La lógica se apoya en válvulas motorizadas que reconfiguran el recorrido del aceite según el ensayo programado. Cada depósito puede calentarse y enfriarse de forma independiente, y el sistema regula el caudal para controlar el número de renovaciones de fluido en cada uno. Eso último importa más de lo que parece: es lo que garantiza que la temperatura se distribuya de forma homogénea y que dos ciclos idénticos den resultados idénticos.
Esquema interactivo
Cómo funciona la planta
Una misma instalación, tres modos de operación. Las válvulas motorizadas reconfiguran el recorrido del aceite térmico según el ensayo programado. Selecciona un modo para ver el circuito.
Calentamiento
Dimensionamiento hidráulico: del cálculo de pérdidas de carga a la selección de bomba
El circuito se dimensionó a partir de un análisis completo de pérdidas de carga que consideró la longitud de tuberías, los accesorios, las válvulas, los cambios de dirección y las propiedades del aceite térmico a cada temperatura de trabajo. Con ese estudio se seleccionó la bomba de circulación y se fijaron los diámetros de tubería necesarios para asegurar el caudal en todos los modos de funcionamiento.
El criterio de diseño fue evitar zonas de baja circulación y mantener un régimen estable durante el calentamiento y el enfriamiento. El circuito trabaja con un caudal nominal de 25 l/min y una presión de trabajo de 2 bar. El trazado se resolvió además pensando en el mantenimiento y en poder ampliar la instalación más adelante sin rehacerla.
Instrumentación: datos repetibles y trazables
La calidad de un ensayo depende de lo bien que se controlen y se registren las variables. La planta incorpora una red de instrumentación distribuida que monitoriza en continuo:
- Temperatura del fluido en distintos puntos del circuito.
- Caudal de circulación.
- Presión del sistema.
- Estado de válvulas y equipos auxiliares.
El sistema de control procesa toda esa información, regula automáticamente las condiciones de ensayo y guarda el histórico completo de cada ciclo. El control de temperatura se mantiene dentro de ±0,25 °C, que es lo que permite comparar entre sí ciclos separados por días o por semanas. En una instalación de I+D, la trazabilidad del dato no es un extra: es el producto.
Automatización: campañas de ensayo que no necesitan operador
La planta coordina la TCU, el chiller, las bombas y las válvulas motorizadas mediante una arquitectura de control industrial que sincroniza todos los equipos y ejecuta secuencias de ensayo completas.
Desde el interfaz de operación se programan perfiles: rampas de calentamiento y enfriamiento, isotermas, tiempos de permanencia y número de ciclos. El operador define la campaña y la instalación la ejecuta.
Esto permite lanzar campañas de cientos de ciclos sin intervención, con seguimiento continuo del proceso. Para un centro de investigación, la diferencia entre un ensayo asistido y uno desatendido son semanas de trabajo de personal cualificado.
Diseño energético
La Unidad de Control de Temperatura aporta 30 kW de potencia de calentamiento mediante resistencias eléctricas. El sistema de refrigeración, con 15 kW de potencia frigorífica, está dimensionado para las fases de descarga y para sostener las condiciones térmicas del ensayo.
El análisis energético fue el que permitió definir los tres modos de operación y ajustarlos buscando dos cosas a la vez: consumo eléctrico contenido y estabilidad del proceso experimental. Cuando la campaña dura semanas, ambas pesan.
Los depósitos de ensayo
Los depósitos se diseñaron a medida para alojar las muestras. Su dimensionamiento partió del volumen de material a ensayar, 15 litros por depósito, de las propiedades físicas de los materiales y de la geometría necesaria para que la transferencia de calor fuese correcta durante todo el ciclo.
Se resolvió también el sistema de llenado, vaciado y sustitución de muestras. Es un detalle poco vistoso pero determinante: es lo que permite cambiar de material en horas en lugar de en días y encadenar campañas experimentales distintas sobre la misma instalación.
Seguridad y normativa
Una instalación que mueve aceite térmico a alta temperatura obliga a resolver la seguridad desde el diseño, no al final. La instalación se ha diseñado conforme a la normativa europea aplicable a este tipo de equipos e incorpora los elementos de protección y los enclavamientos necesarios para operar de forma desatendida.
Del modelo CAD al FAT
La instalación se fabricó, se montó y se sometió a pruebas de aceptación en fábrica (FAT) con el cliente presente, verificando los modos de operación, los lazos de control y la ejecución de secuencias completas antes del envío. Actualmente está en servicio en las instalaciones del cliente.
«La decisión más delicada fue el reparto de caudal entre los depósitos. Si cada uno no recibe las mismas renovaciones de aceite, dos ciclos iguales dejan de dar resultados iguales, y el ensayo pierde su valor.»
Equipo de ingeniería de proceso de SDEA Solutions
Qué permite hacer esta instalación
Más allá del equipo, lo que se ha entregado es una plataforma experimental sobre la que trabajar durante años. Permite caracterizar materiales de almacenamiento por calor sensible y latente, comparar candidatos en condiciones idénticas, estudiar su degradación a lo largo de campañas de cientos de ciclos y ensayar el trasvase de energía entre depósitos. Y permite hacerlo con datos repetibles y trazables, que es la condición para que un resultado de laboratorio pueda sostener una decisión de inversión industrial.
La instalación se ha concebido además para poder crecer: ampliar el número de depósitos, incorporar nuevos protocolos de ensayo o adaptarse a materiales distintos de los previstos inicialmente.
Ingeniería integral para instalaciones de I+D
Este proyecto reúne en una sola instalación ingeniería de procesos, cálculo hidráulico, diseño mecánico, instrumentación, automatización e integración de equipos. Esa combinación es precisamente lo que hace que una planta piloto funcione: no es la suma de buenos equipos, es la coherencia entre ellos.
En SDEA diseñamos y fabricamos instalaciones experimentales a medida para centros de investigación y para departamentos de I+D industriales. Trabajamos desde la definición del proceso hasta la puesta en marcha, con un único interlocutor técnico para todo el alcance.
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