Tecnologia di accumulo termico

Energia termica, come una delle fonti energetiche più importanti utilizzate dall'umanità, è principalmente classificato in tre categorie in base ai suoi principi di funzionamento: accumulo termico sensibile, accumulo termico latente (cambio di fase) e accumulo termico termochimico. Rappresenta dal 40% al 50% del consumo energetico finale e le sue applicazioni sono estremamente ampie-. Nell’attuale sistema di sviluppo e utilizzo dell’energia, quasi tutti i processi di conversione energetica coinvolgono l’energia termica. Tuttavia, a causa dell'inevitabile perdita di energia durante la conversione dell'energia, la tecnologia di accumulo termico viene raramente applicata direttamente allo stoccaggio dell'energia elettrica (ovvero, situazioni in cui sia l'input che l'output sono energia elettrica). Viene invece più spesso utilizzato come anello della catena di conversione energetica o semplicemente applicato ai sistemi termici.

Accumulo di calore sensibile

La tecnologia di accumulo del calore sensibile è un metodo per immagazzinare e rilasciare calore utilizzando i cambiamenti nella temperatura di una sostanza. Il suo meccanismo di funzionamento è relativamente semplice: l'accumulo o il rilascio del calore si ottiene riscaldando o raffreddando il mezzo. Durante questo processo, il mezzo non subisce trasformazioni chimiche o cambiamenti di fase, rendendo l'intero sistema facile da controllare e funzionare in modo stabile. Inoltre, esistono molti tipi di materiali per l'accumulo di calore disponibili a basso costo, il che li rende adatti ad applicazioni su larga-scala. Questa tecnologia non solo è altamente matura, ma dimostra anche un ampio potenziale di applicazione in molteplici campi. Tuttavia, l'accumulo di calore sensibile deve affrontare anche alcune sfide, come la bassa densità di energia, le grandi dimensioni delle apparecchiature, la significativa perdita di calore durante lo stoccaggio a lungo termine- e la temperatura di uscita instabile. I mezzi di accumulo del calore sensibile possono essere sostanzialmente classificati in due categorie: liquidi e solidi. I comuni materiali di accumulo del calore liquido includono acqua, olio termico, sale fuso e metallo liquido. Tra questi, l'acqua, grazie alla sua buona sicurezza e stabilità e al fatto che la temperatura di accumulo del calore in genere non supera i 100 gradi, è ampiamente utilizzata nei sistemi solari di riscaldamento dell'acqua e nel riscaldamento degli ambienti. Gli oli termici, con la loro eccellente conduttività termica e l'ampio intervallo di temperature operative, sono stati utilizzati nelle prime applicazioni di stoccaggio dell'energia termica a media- e alta-temperatura; tuttavia, il costo elevato, l'infiammabilità e i potenziali rischi di alta-pressione nei sistemi a circuito chiuso-hanno portato alla loro graduale sostituzione con altre opzioni superiori. Al contrario, i sali fusi, con la loro bassa pressione di vapore saturo, bassa viscosità, elevata conduttività termica, non-infiammabilità e non-tossicità, funzionano bene a temperature corrispondenti ai parametri del vapore tradizionale e sono relativamente economici, il che li rende considerati la scelta ideale per la conversione termoelettrica solare. Tuttavia, a temperature ambiente estremamente elevate, i sali fusi possono corrodere le tubazioni e le relative apparecchiature, rendendo necessarie ulteriori ricerche e miglioramenti della loro compatibilità e resistenza al calore con l'acciaio inossidabile. I metalli liquidi, a causa della loro conduttività termica estremamente elevata, sono considerati una potenziale soluzione di accumulo termico ad alta-temperatura (oltre 600 gradi); tuttavia, date le loro proprietà chimiche altamente reattive, sono necessarie ulteriori misure di sicurezza per garantire il normale funzionamento del sistema, e il loro costo elevato li mantiene nelle prime fasi dell'esplorazione.

I comuni materiali solidi di accumulo termico includono cemento, roccia e mattoni refrattari. Rispetto ai materiali di accumulo termico liquidi, i materiali di accumulo termico solidi possono funzionare a temperature più elevate e immagazzinare più calore nello stesso spazio, il che significa una riduzione della quantità di materiale richiesto e una diminuzione del costo complessivo.

Accumulo termico di calore latente (cambio di fase).

La tecnologia di accumulo dell’energia termica a cambiamento di fase si basa principalmente sul calore latente come forma principale di accumulo di energia. Questa tecnologia utilizza l'assorbimento o il rilascio di grandi quantità di calore latente durante le transizioni di fase per immagazzinare calore. Durante questo processo, la temperatura del materiale rimane quasi costante. Questa tecnologia di accumulo dell'energia termica presenta vantaggi significativi come l'elevata densità di energia e il volume ridotto.

Il processo attraverso il quale la materia si trasforma da uno stato all’altro è chiamato transizione di fase. Tipicamente, questa transizione avviene in condizioni isotermiche o quasi-isoterme ed è accompagnata da un cambiamento energetico significativo-l'assorbimento o il rilascio di una grande quantità di calore. Questa energia è definita come il calore latente della transizione di fase. In particolare, il calore latente coinvolto nella transizione di fase della maggior parte dei materiali è molto maggiore di quello del calore sensibile. Ad esempio, l'acqua ha una capacità termica specifica di circa 4,2 kJ/kg·grado e durante la transizione dallo stato solido a quello liquido (ghiaccio che si scioglie in acqua), l'acqua può assorbire 355 kJ/kg di energia come calore latente di transizione di fase. Pertanto, in termini di densità energetica, l’utilizzo del calore latente della transizione di fase è significativamente superiore ai metodi che si basano esclusivamente sul calore sensibile.

Le transizioni di fase della materia comprendono principalmente quattro tipi: solido-solido, solido-liquido, solido-gas e liquido-gas. Sebbene le transizioni del gas solido-e del gas liquido- abbiano valori di calore latente elevati, le variazioni di volume significative in questi casi aumentano la difficoltà del funzionamento pratico, limitando così la loro applicazione. Al contrario, le transizioni di fase solida-, che si verificano quando un materiale solido si trasforma da uno stato cristallino a un altro, mostrano variazioni di volume minori e un sottoraffreddamento inferiore, ma il calore rilasciato o assorbito è generalmente inferiore rispetto agli altri processi di transizione di fase. Nelle transizioni di fase solida-liquida, la materia passa dallo stato solido a quello liquido. Sebbene questo processo richieda un contenitore specifico per contenere il liquido, la variazione di volume è molto inferiore rispetto alle transizioni di fase solida-gas e liquida-gassosa e il calore latente coinvolto è significativamente più elevato rispetto alle transizioni di fase solida-solida. Date queste caratteristiche, le transizioni di fase solida-liquida sono attualmente considerate il metodo di stoccaggio termico a cambiamento di fase più pratico e ampiamente applicabile.

Attualmente, ci sono molti tipi di materiali utilizzati nella tecnologia di accumulo termico a cambiamento di fase, principalmente divisi in due categorie in base alla loro composizione chimica: organici e inorganici. I materiali a cambiamento di fase organici includono principalmente sostanze come cera di paraffina, alcoli e acidi grassi; mentre i materiali a cambiamento di fase inorganici sono rappresentati da sali idrati cristallini, sali fusi e metalli o loro leghe. In generale, i materiali organici a cambiamento di fase sono più adatti per l'accumulo di energia termica nell'intervallo di temperature medio-basse, mentre i materiali inorganici a cambiamento di fase mostrano migliori prestazioni di accumulo di energia termica in condizioni di temperatura medio-alta.

Accumulo termico termochimico

La tecnologia di accumulo dell'energia termica termochimica vanta una densità di energia per unità di volume estremamente elevata, che raggiunge l'ordine di GJ/m³. In confronto, la densità energetica dei materiali di accumulo del calore sensibile è solo circa un-decimo, e quella dei materiali di accumulo del calore latente è solo la metà. Inoltre, separando i reagenti, questa tecnologia può ottenere uno stoccaggio di energia termica a perdita zero-a temperatura ambiente, essendo quindi ampiamente considerata una delle tecnologie più promettenti per lo stoccaggio di energia termica su larga-scala e a lungo-termine. Sulla base dei diversi cambiamenti dei legami chimici coinvolti nel processo di accumulo di energia, l’accumulo di energia termica termochimica può essere ulteriormente suddiviso in due categorie principali: accumulo di energia termica per chemisorbimento e accumulo di energia termica per reazione chimica.

L'accumulo termico a chemisorbimento è particolarmente adatto per applicazioni in ambienti a bassa-temperatura. Si basa sulla formazione e sulla rottura di forze intermolecolari fisiche o chimiche (come le forze di van der Waals, le forze elettrostatiche e i legami idrogeno) tra adsorbenti solidi e adsorbati gassosi per ottenere l'accumulo e il rilascio del calore. Questa tecnologia comprende principalmente due categorie di sistemi: uno è un sistema a sale idrato che utilizza vapore acqueo come adsorbato; l'altro è un sistema complesso di ammoniaca che utilizza molecole di ammoniaca come adsorbato. La Tabella 1-2 mostra i tipi specifici, le temperature di accumulo/rilascio del calore e le densità di accumulo di energia di diversi materiali di accumulo termico di chemisorbimento comunemente utilizzati.

Tabella 1-2 Proprietà dei materiali di accumulo termico per adsorbimento chimico comunemente utilizzati:

Lo stoccaggio dell'energia termica tramite reazione chimica viene applicato principalmente in condizioni di temperatura media- e alta-e i suoi sistemi sono diversi, tra cui il reforming del metano, la sintesi e decomposizione dell'ammoniaca, gli idruri metallici, i carbonati, gli ossidi metallici e gli idrossidi metallici. Questi metodi ottengono l'immagazzinamento e il rilascio di energia termica attraverso la rottura e la ricombinazione dei legami chimici. Questo tipo di accumulo di energia possiede grandi valori di reazione, elevata densità di energia e un ampio intervallo di temperature operative. Tuttavia, nelle applicazioni pratiche, permangono delle sfide, tra cui il controllo dei costi, la corrosione dei materiali e lo stoccaggio del gas. Pertanto, è necessario condurre una ricerca approfondita-sui meccanismi di reazione rilevanti e ottimizzare il flusso del processo per migliorare le prestazioni complessive.

I sistemi di accumulo dell’energia termica termochimica hanno strutture complesse e numerosi dispositivi ausiliari, che comportano elevati costi di investimento iniziale. Attualmente, la loro densità di energia ultra-elevata per unità di volume non è stata completamente utilizzata. Inoltre, a causa della complessità dei meccanismi di reazione chimica coinvolti, il controllo preciso delle velocità di reazione è impegnativo e alcuni processi di reazione hanno severi requisiti di sicurezza, migliorando ulteriormente l’efficienza complessiva del sistema. Pertanto, per affrontare questi problemi è necessaria una ricerca più-approfondita sulla tecnologia di stoccaggio dell'energia termica termochimica.