Investigación Experimental del Rendimiento Térmico de Aceites Seleccionados para Almacenamiento de Energía Solar y Cocción

1. Introducción y Visión General

Esta investigación estudia el rendimiento térmico de aceites disponibles localmente en Uganda—específicamente aceite de girasol refinado, aceite de palma refinado y el aceite mineral industrial Thermia B—para su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía solar térmica y cocción rural. El desafío central abordado es identificar un fluido de transferencia de calor (HTF, por sus siglas en inglés) y medio de almacenamiento rentable, seguro y eficiente, adecuado para contextos rurales sin conexión a la red eléctrica, donde los HTF industriales convencionales son prohibitivamente caros.

El estudio está motivado por las limitaciones de medios comunes como el aire (baja capacidad calorífica) y el agua (riesgo de vaporización a altas temperaturas). Los aceites vegetales presentan una alternativa prometedora debido a su mayor estabilidad térmica, seguridad en caso de fugas y disponibilidad local, lo que se alinea con los objetivos de desarrollo sostenible.

2. Metodología Experimental

El enfoque experimental fue diseñado para evaluar tanto las capacidades de retención de calor estático como de transferencia de calor dinámico en condiciones que simulan la carga solar térmica.

2.1. Muestras de Aceite y Propiedades

Se seleccionaron tres aceites en función de su disponibilidad y relevancia local:

Aceite de Girasol Refinado: Un aceite vegetal común.
Aceite de Palma Refinado: Otro aceite vegetal ampliamente disponible.
Thermia B: Un fluido de transferencia de calor comercial a base de minerales utilizado como referencia.

Las propiedades termofísicas clave (densidad $\rho$, capacidad calorífica específica $c_p$, conductividad térmica $k$) se obtuvieron de la literatura (Mawire et al., 2014), mostrando que los aceites vegetales generalmente tienen mayor densidad y capacidad calorífica específica que Thermia B.

2.2. Prueba de Capacidad de Retención de Calor

Un experimento primario midió la retención de calor pasiva. Un tanque cilíndrico de 4.5L, aislado y equipado con un calentador eléctrico de 1.5 kW, se llenó con 4L de cada aceite. El aceite se calentó a una temperatura cercana a su punto de humo (un límite de seguridad y rendimiento). Luego se detuvo el calentamiento y se registró la curva de enfriamiento durante aproximadamente 24 horas utilizando termopares tipo K conectados a un registrador de datos TC-08 (ver esquema Fig. 1). Esta prueba cuantificó la capacidad del aceite para almacenar y retener energía térmica sin circulación activa.

Descripción del Gráfico/Figura (Fig. 1): El esquema muestra un tanque cilíndrico aislado que contiene la muestra de aceite. Hay un calentador de inmersión. Se insertan tres termopares a diferentes alturas (separados 5cm) para medir la estratificación de temperatura. Los cables de los termopares se conectan a un registrador de datos (TC-08), que está interfazado con una computadora para el monitoreo en tiempo real y el registro de datos.

3. Resultados y Análisis

3.1. Comparación del Rendimiento Térmico

Los datos experimentales revelaron jerarquías de rendimiento claras:

Tasa de Ganancia de Calor

Aceites Vegetales > Thermia B
El aceite de girasol y el de palma alcanzaron las temperaturas objetivo más rápido que el aceite mineral durante la fase de carga, lo que indica una posible mejor absorción de calor en un colector solar.

Duración de la Retención de Calor

Aceite de Girasol > Aceite de Palma > Thermia B
El aceite de girasol demostró la tasa de enfriamiento más lenta, reteniendo calor utilizable durante el período más largo después de retirar la fuente de calor.

Energía Total Almacenada

Aceite de Girasol > Aceite de Palma > Thermia B
Los cálculos basados en las curvas de enfriamiento y la capacidad calorífica mostraron que el aceite de girasol almacenó la mayor cantidad de energía térmica por unidad de volumen.

3.2. Hallazgos Clave y Datos

El estudio identificó concluyentemente al aceite de girasol refinado como el candidato más adecuado entre los aceites probados para la transferencia y almacenamiento de calor integrados en sistemas de cocción solar. Su superior capacidad calorífica específica y retención térmica se traducen directamente en una mayor eficiencia del sistema y tiempos de cocción más largos con una sola carga. El aceite de palma tuvo un desempeño respetable pero fue superado por el aceite de girasol. Thermia B, aunque es un fluido industrial dedicado, fue menos efectivo en este contexto de aplicación específico, probablemente debido a su menor capacidad calorífica volumétrica.

Perspectiva Clave: El mejor desempeño no lo tuvo el fluido industrial especializado, sino un aceite vegetal de grado alimenticio de origen local, lo que destaca el valor de la tecnología apropiada al contexto.

4. Análisis Técnico Profundo

4.1. Modelos Matemáticos y Fórmulas

La energía almacenada en el aceite durante el experimento puede modelarse utilizando la ecuación fundamental de calorimetría:

$$Q = m \int_{T_{inicial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$

Donde $Q$ es la energía térmica (J), $m$ es la masa de aceite (kg) y $c_p(T)$ es la capacidad calorífica específica dependiente de la temperatura (J/kg·K). El estudio utilizó fórmulas empíricas para $c_p$ de Mawire et al. (2014), por ejemplo, para aceite de girasol: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

El proceso de enfriamiento puede analizarse utilizando la Ley de Enfriamiento de Newton, aproximando la tasa de pérdida de calor:

$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambiente})$$

Donde $k$ es una constante de enfriamiento que depende de las propiedades del aceite y del aislamiento del sistema. El $dT/dt$ más lento para el aceite de girasol indica una $k$ más favorable para el almacenamiento de energía.

4.2. Descripción de la Configuración Experimental

El aparato central fue un tanque bien aislado para minimizar la pérdida de calor parásita al entorno, asegurando que las curvas de enfriamiento medidas reflejaran principalmente las propiedades intrínsecas del aceite. El uso de múltiples termopares permitió observar la estratificación térmica—una capa más cálida sobre una más fría—que es típica en el almacenamiento de fluidos estancados. El sistema de registro de datos proporcionó datos temporales de temperatura de alta resolución, cruciales para cálculos de energía precisos y análisis comparativos.

5. Análisis Crítico y Perspectiva de la Industria

Perspectiva Central: Este artículo presenta un hallazgo poderoso y contraintuitivo: en el nicho del almacenamiento solar térmico rural de bajo costo, un producto básico de cocina común (aceite de girasol) puede superar en ingeniería a un fluido industrial diseñado específicamente (Thermia B). El verdadero avance no es un nuevo material, sino una recontextualización radical de uno existente. Cambia el foco de innovación de la síntesis de alta tecnología a la selección inteligente de tecnología apropiada.

Flujo Lógico: La lógica de la investigación es admirablemente directa y orientada a la aplicación. Comienza con un problema claro del mundo real (costo y seguridad de los HTF para cocción rural), define métricas de rendimiento relevantes (ganancia de calor, retención, almacenamiento total) y establece un experimento controlado que simula directamente las operaciones clave del sistema (carga y enfriamiento pasivo). La comparación entre aceites vegetales locales y una referencia industrial es su golpe maestro, proporcionando relevancia inmediata y accionable.

Fortalezas y Debilidades:
Fortalezas: La mayor fortaleza del estudio es su validez pragmática. Las condiciones experimentales (temperaturas cercanas al punto de humo, enfriamiento de 24 horas) reflejan de cerca escenarios de uso real. La elección de aceites disponibles localmente asegura que los hallazgos sean inmediatamente implementables, reduciendo las barreras de transferencia tecnológica. Esto se alinea con el creciente campo de la "innovación frugal" documentado por instituciones como el Programa de Asistencia para la Gestión del Sector Energético (ESMAP) del Banco Mundial.
Debilidades: El análisis es principalmente empírico y comparativo, careciendo de una inmersión profunda en el porqué detrás de las diferencias de rendimiento. Si bien cita datos de propiedades, no explora completamente las razones moleculares o compositivas por las que el aceite de girasol supera al de palma. Además, el estudio omite pruebas de estabilidad a largo plazo—críticas para aplicaciones reales. Los aceites vegetales pueden polimerizarse, oxidarse y degradarse bajo ciclos térmicos repetidos (un fenómeno bien estudiado en la investigación de aceites de fritura). ¿Formará el aceite de girasol lodos después de 100 ciclos de calentamiento? El artículo guarda silencio sobre este punto crucial operativo. Tampoco aborda los posibles impactos en la calidad de los alimentos cocinados o la transferencia de olores.

Perspectivas Accionables: Para ingenieros y ONG que trabajan en cocinas solares para regiones en desarrollo, el mandato es claro: prototipar con aceite de girasol ahora. El beneficio de rendimiento está probado. La siguiente fase crítica de I+D debe ser pruebas de durabilidad y ciclo de vida. Colaborar con químicos de alimentos para comprender y mitigar la degradación térmica. Explorar estrategias simples de filtración o aditivos para extender la vida útil del aceite. Además, este trabajo debería catalizar una búsqueda más amplia de materiales: si el aceite de girasol funciona, ¿qué pasa con otros fluidos de alta capacidad calorífica abundantes localmente, como ciertos aceites de semillas o incluso soluciones a base de azúcar? El marco de investigación establecido aquí es una plantilla perfecta para un proceso de selección sistemático y específico para cada localidad.

6. Marco de Análisis y Ejemplo de Caso

Marco para Evaluar Fluidos de Almacenamiento Térmico Local:
Esta investigación proporciona un marco replicable para evaluar cualquier fluido potencial en un contexto socio-técnico específico. El marco consta de cuatro filtros secuenciales:

Filtro de Contexto (Disponibilidad y Seguridad): ¿El material está disponible localmente, es asequible y no es peligroso (por ejemplo, no tóxico, no inflamable de la manera en que lo es el agua)? El aceite de girasol pasa; el aceite sintético puede fallar en costo/disponibilidad.
Filtro de Propiedades (Termofísicas): ¿Tiene una alta capacidad calorífica volumétrica ($\rho c_p$) y un rango de temperatura operativo? Aquí se aplican datos de la literatura o pruebas de laboratorio simples.
Filtro de Rendimiento (Experimental): ¿Cómo se comporta realmente en un sistema simulado? Esto implica las pruebas de ganancia y retención de calor descritas en el artículo.
Filtro de Durabilidad y Ciclo de Vida (Largo Plazo): ¿Mantiene el rendimiento a lo largo de ciclos repetidos? ¿Cuál es su perfil de degradación y costo total del ciclo de vida?

Aplicación de Ejemplo de Caso:
Una ONG en India quiere desarrollar una unidad de almacenamiento solar térmico para cocción comunitaria. Usando este marco:
1. Contexto: Identifican el aceite de mostaza y el aceite de coco como ampliamente disponibles, asequibles y seguros para el contacto incidental con alimentos.
2. Propiedades: La búsqueda bibliográfica muestra que el aceite de coco tiene una alta capacidad calorífica específica (~2000 J/kg·K) y un alto punto de humo (~177°C), lo que lo hace prometedor.
3. Rendimiento: Construyen una configuración de prueba idéntica a la Fig. 1 del artículo, comparando aceite de mostaza, aceite de coco y una línea base de agua. Encuentran que el aceite de coco retiene el calor un 40% más que el agua para su banda de temperatura objetivo.
4. Durabilidad: Ejecutan 50 ciclos consecutivos de calor-enfriamiento en el aceite de coco, monitoreando viscosidad y acidez. Un aumento significativo en la viscosidad después de 30 ciclos indica la necesidad de reemplazar o tratar el aceite, definiendo protocolos de mantenimiento para el diseño final del sistema.

7. Aplicaciones Futuras y Direcciones de Investigación

Las implicaciones de esta investigación se extienden más allá de las simples cocinas solares:

Sistemas Solares Térmicos en Cascada: El almacenamiento basado en aceite de girasol podría proporcionar no solo calor para cocción, sino también calor de menor grado para calefacción de espacios o precalentamiento de agua en clínicas o escuelas rurales, mejorando la economía general del sistema.
Integración con Colectores Solares Parabólicos: Los colectores parabólicos de pequeña escala podrían usar aceites vegetales como HTF directo y medio de almacenamiento, simplificando la arquitectura del sistema para aplicaciones descentralizadas.
Híbridos de Ciencia de Materiales: La investigación futura debería investigar la creación de "aceites vegetales mejorados" con nanopartículas dispersas (por ejemplo, alúmina, grafito) para aumentar la conductividad térmica ($k$) sin sacrificar seguridad o costo, un concepto explorado en la investigación avanzada de nanofluidos (por ejemplo, estudios publicados en el International Journal of Heat and Mass Transfer).
Mezclas Optimizadas por IA: Los modelos de aprendizaje automático podrían entrenarse en bases de datos de propiedades termofísicas para predecir mezclas óptimas de diferentes aceites locales para maximizar $\rho c_p$ y minimizar el costo para una zona climática determinada.
Modelos de Economía Circular: La investigación sobre el uso de aceite de cocina usado (después de un tratamiento adecuado) como medio de almacenamiento térmico podría crear un ciclo convincente de economía circular, reduciendo aún más los costos y los residuos.

El próximo paso crítico es pasar del rendimiento de laboratorio al diseño de sistema duradero validado en campo, abordando las preguntas de estabilidad a largo plazo que este estudio fundacional plantea.

8. Referencias

Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Experimental Investigation of Thermal Performance for Selected Oils for Solar Thermal Energy Storage and Rural Cooking Application. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems. Applied Energy, 113, 1106-1115. (Fuente de datos de propiedades termofísicas).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Experimental investigation of a rock bed thermal energy storage system for solar cooking. International Journal of Sustainable Energy.
World Bank / ESMAP. (2020). Frugal Innovation in the Energy Sector: A Guide to Doing More with Less. [Informe en línea].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [Programa de investigación].
Said, Z., et al. (2021). Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (Para el contexto de mejora con nanofluidos).