Accumulo di energia termica: la nuova frontiera dei materiali innovativi

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1 Accumulo di energia termica: la nuova frontiera dei materiali innovativi Una ricerca dell'universita' degli Studi di Napoli "Parthenope" dedicata alle tipologie e ai campi applicativi delle tecnologie di accumulo termico L accumulo di energia termica (Tes Thermal Energy Storage) è la tecnologia mediante la quale si ottiene l immagazzinamento di energia termica, attraverso il riscaldamento o il raffreddamento di un mezzo di accumulo. In tal modo, l energia accumulata può essere utilizzata successivamente, allo scopo di riscaldare o raffreddare oppure per produrre energia elettrica. Il consumo energetico all interno degli edifici e nei processi industriali è, per circa la metà, sotto forma di energia termica e risulta estremamente variabile, sia nell arco di una stessa giornata sia nei vari giorni dell anno. Inoltre, l intermittenza della fornitura, la disponibilità imprevedibile e la potenza non costante rappresentano gravi limiti nello sfruttamento della maggior parte delle fonti di energie rinnovabili. I sistemi di accumulo di energia termica costituiscono una soluzione innovativa per bilanciare la

2 domanda e l offerta di energia nell arco del giorno, delle settimane e perfino delle stagioni. Tale soluzione determina un aumento di efficienza del sistema energetico, riducendo così i consumi, i picchi di domanda, l emissione di CO 2 ed i costi. Inoltre, la conversione e l accumulo di energie rinnovabili sotto forma di energia termica permettono di aumentarne il loro sfruttamento, favorendo quindi la loro diffusione. In particolare, i sistemi di accumulo termico stanno assumendo un ruolo fondamentale all interno dei sistemi di concentrazione solare (CSP Concentrating Solar Power), nei quali il calore solare viene immagazzinato per produrre energia elettrica, anche quando la luce solare non è più disponibile. La tecnologia di accumulo di energia termica richiede di combinare l individuazione di opportuni mezzi di accumulo termico con la progettazione di scambiatori termici finalizzati al carico ed allo scarico di tale mezzo. I sistemi di accumulo termico possono essere classificati a seconda se effettuano: accumulo di calore sensibile, che si basa sull immagazzinamento di energia termica mediante il riscaldamento o il raffreddamento di un mezzo di accumulo liquido o solido; accumulo di calore latente, che è basato sul calore assorbito o rilasciato quando un materiale a cambiamento di fase (PCMs Phase Change Materials) effettua una trasformazione di fase da solido a liquido oppure da liquido a gas; accumulo termo-chimico (TCS Thermo Chemical Storage), che è basato sul rilascio e l accumulo di energia termica durante le reazioni chimiche. Nella seguente tabella sono indicati i principi di

3 funzionamento delle differenti tecnologie di accumulo: Confronto dei principi di funzionamento delle varie tecnologie di accumulo termico L accumulo di calore sensibile è sicuramente il modo più economico per immagazzinare energia termica, ma richiede grandi volumi a causa della bassa densità energetica dei mezzi utilizzati (ovvero il rapporto tra la quantità di energia immagazzinata ed il volume del mezzo di accumulo) la quale, invece, nei materiali a cambiamento di fase e nei sistemi di accumulo termochimico è rispettivamente tre e cinque volte più alta. In molte nazioni oltre l Italia, come Svizzera e Stati Uniti, si stanno studiando nuovi materiali e nuove tecnologie per l accumulo di energia termica e come questi possano anche essere integrati negli elementi non strutturali degli edifici, per esempio incapsulando materiali a cambiamento di fase negli intonaci e nelle intercapedini. Queste nuove applicazioni si stanno diffondendo solo adesso in quanto i loro rendimenti, la loro affidabilità ed i loro costi sono ancora da verificare. Impianti di accumulo centralizzati di energia solare possono essere utilizzati in sistemi di riscaldamento o raffreddamento centralizzati, in grandi impianti industriali, in centrali termiche o elettriche. Impianti di accumulo più piccoli, invece, sono generalmente utilizzati all interno degli edifici, per il riscaldamento degli ambienti e dell acqua sanitaria utilizzando l energia

4 solare. I sistemi di accumulo termico di energia sono in grado di fornire un valido contributo sia nell edilizia civile, per il raffrescamento o riscaldamento degli ambienti o per la produzione di acqua calda sanitaria, sia nel settore industriale, negli impianti di riscaldamento o raffreddamento. Questi sistemi possono avere varie dimensioni con una capacità energetica variabile, che può essere anche da poche decine di kw, come negli impianti di accumulo termico momentaneo che immagazzinano l energia solare per fornire acqua calda sanitaria e riscaldare gli edifici. Ma si possono progettare anche grandi impianti di accumulo termico centralizzati, con una capacità energetica che arriva fino a vari MW, come quelli utilizzati per immagazzinare il calore di scarto nelle centrali elettriche convenzionali, solari termodinamiche o combinate calore ed energia. Gli impianti di accumulo termico sono in grado di immagazzinare il calore di scarto, in eccesso oppure come sottoprodotto di lavorazione industriale, per conservarlo e renderlo disponibile quando necessario, migliorando così notevolmente l efficienza energetica, soprattutto dei processi e settori industriali ad alto consumo energetico, come quelli della produzione del ferro, acciaio, vetro e cemento. Il principale limite alla diffusione delle tecnologie di accumulo termico è rappresentato dal loro attuale costo specifico; in particolare, negli impianti termochimici si manifestano ulteriori difficoltà, legate alle caratteristiche ed alla stabilità dei mezzi di accumulo utilizzati. La ricerca sta concentrando i propri sforzi per lo sviluppo di materiali innovativi, da utilizzarsi come nuovi mezzi di accumulo termico, contenitori ed isolanti termici. Nell ambito della ricerca, le maggiori sfide riguardano l accumulo termico con materiali a cambiamento di fase e quello termochimico, che richiedono ancor oggi lo sviluppo di nuovi materiali reagenti ed una maggiore comprensione dei sistemi e dei parametri di

5 processo. Schema di funzionamento degli impianti a concentrazione solare Autori D. Frattini, F. M. De Rosa, M. de Pertis, G. Accardo, L. Cimino, C. Ferone, G. Roviello, F. Colangelo, R. Cioffi MASERG, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope Il gruppo di ricerca di Ingegneria e Scienza dei Materiali fa parte del Dipartimento di Ingegneria dell Università degli Studi di Napoli Parthenope. I principali ambiti di ricerca riguardano: lo sviluppo di materiali innovativi per l accumulo di energia termica; la stabilizzazione/solidificazione di rifiuti solidi industriali pericolosi, terreni e sedimenti; la

6 preparazione di miscele a risparmio energetico, calcestruzzi e materiali geopolimerici a base di ceneri volanti, loppa d altoforno, gessi chimici, tufo in polvere, scorie di fonderia, scorie da incenerimento di RSU, etc.. Oggetto di ricerca è stata anche la durabilità dei prodotti, ottenuti attraverso la formazione di silicato di calcio e trisolfato di alluminio idrato, anche in presenza di cloruri e solfati; l inertizzazione mediante trattamenti meccanochimici di rifiuti industriali contenenti amianto e sedimenti. Inoltre sono stati studiati il riutilizzo dei prodotti ottenuti da materiali da costruzione e la valutazione del ciclo di vita (LCA) dei processi di produzione eco-compatibili di materiali da costruzione. Copyright - Riproduzione riservata