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Al di là degli aspetti etici, la spinta nella transizione da una produzione di energia da risorse fossili a fonti rinnovabili è ancora più forte grazie agli importanti passi in avanti compiuti da scienziati, progettisti e addetti del settore. L’innovazione tecnologica e il contenimento dei costi hanno permesso alla produzione sostenibile di energia di essere competitiva con quella tradizionale, più impattante per l’ambiente. L‘innovazione ha riguardato anche i sistemi ausiliari di accumulo di energia, esplorando tecniche più estreme.

Nel settore delle energie da fonti rinnovabili, l’innovazione tecnologica è favorita dal concomitante incremento di conoscenze nel campo dell’immagazzinamento di energia usufruibile in momenti diversi da quelli di produzione. L’importanza ricoperta dall’energy storage nel panorama delle energie rinnovabili è tale da richiedere che la ricerca tecnologica, condotta da scienziati, progettisti ed esperti in materiali, investighi in tutte le direzioni cercando soluzioni efficienti, economiche e sostenibili.

I sistemi di stoccaggio di energia si differenziano in base ai processi tecnologici con i quali immagazzinano e rilasciano la corrente elettrica [1]. I fattori che determinano la scelta di una tecnologia rispetto un’altra sono molti: la quantità di energia da immagazzinare, la velocità di risposta alla domanda di energia elettrica, il luogo dove è prodotta l’energia ecc.

Accumulatori LHTES

Nel panorama dei dispositivi di accumulo, gli accumulatori di energia termica a calore latente (LHTES – Latent Heat Thermal Energy Storage) attraggono molto interesse per le potenzialità economiche e prestazionali espresse, anche se in termini di analisi progettuale e di ingegnerizzazione richiedono molta attenzione. Il processo fisico alla base del loro funzionamento sfrutta l’energia da immagazzinare per favorire una transizione di fase di uno specifico e opportuno materiale (PCM – Phase Change Material). Una volta che l’energia, sotto forma di calore, è stata immagazzinata, può essere rilasciata e trasferita ad un dispositivo capace di convertirla in energia elettrica o utilizzarla tal quale. Il processo di trasformazione del PCM da una fase ad un’altra avviene a temperatura costante, la temperatura di transizione di fase (Tt), e tutta l’energia è assorbita in termini di calore latente (energia scambiata in forma calore durante la transizione di fase).

Principio di funzionamento dei PCM

Invertendo il processo, il calore viene restituito quasi totalmente in base al grado di reversibilità del processo stesso. Il compito di trasferire il calore immagazzinato è assegnato ad un fluido vettore opportunamente scelto. I materiali a cambio di fase sono impiegati in molti settori in base alla loro temperatura Tt, per esempio in edilizia come isolanti termici (Tt tra 20 e 28°C) o in sistemi di stoccaggio di calore nella produzione di energia da solare termico (Tt tra i 600 e 1000°C).

I PCM sono caratterizzati da densità energetiche (quantità di energia immagazzinata per unità di volume o massa) elevate e da bassi costi di materiale. Gli evidenti vantaggi sono però bilanciati dalla loro inefficace conducibilità termica in fase solida, che ne inficia la velocità di estrazione di calore. Per ovviare a questo inconveniente sono state progettate diverse soluzioni, una delle quali consiste nell’inserire il PCM all’interno di una matrice che facilita il trasferimento di calore a discapito però della densità energetica.

Silicio fuso, in teoria funziona

Un soluzione alternativa è quella di utilizzare materiali a cambiamento di fase con un’alta conduttività termica e un alto calore latente che inevitabilmente, però, presentano un’alta temperatura di fusione (transizione solido/liquido). Tale soluzione implica delle condizioni di esercizio proibitive per il fluido vettore, che generalmente opera ad una temperatura massima di 500-550°C.

Nasce quindi l’esigenza di restituire l’energia accumulata ricorrendo a tecnologie alternative al tradizionale trasferimento di calore, pensando quindi a dispositivi capaci di trasformare in energia elettrica direttamente attraverso processi come il termofotovoltaico, il termoionico e l’integrazione dei due.

AMADEUS [2] è un progetto FET-Open di Horizon 2020, finanziato dalla Commissione Europea e diretto allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi ultra-compatti di energy storage a metalli fusi. Questo progetto coinvolge 7 partner (tra cui gli italiani CNR e INOVAC) di 6 paesi europei. Il progetto, coordinato dall’Università Politecnica di Madrid e finanziato con un budget di 3,3 milioni di euro in tre anni, ha come obiettivo la realizzazione di un dispositivo LHTES per lo stoccaggio di energia funzionante a temperature maggiori di 1000°C. La transizione di fase del materiale PCM può essere realizzata sfruttando diverse fonti di energia come corrente elettrica, solare concentrato o calore residuo in processi industriali, cosicché il sistema di immagazzinamento di energia possa essere il più versatile possibile e usato in diverse applicazioni. Il PCM fuso rilascerà l’energia acquisita ad un dispositivo termoionico e/o fotovoltaico per la riconversione in corrente elettrica.

Pricipi di funzionamento del porgetto AMADEUS

Un primo studio teorico di un dispositivo come descritto in precedenza, pubblicato sulla rivista internazionale Energy [3], è stato effettuato inserendo nel modello di calcolo i parametrici fisici tipici del silicio puro da utilizzare come PCM: calore latente pari a 1800J/g, punto di fusione pari a 1410 °C e conducibilità termica del fuso e del solido rispettivamente pari a 25 W/mK e a 50 W/mK. La scelta del silicio è giustificata, al di là dei suoi parametri fisici, dalla facilità ed economicità di reperimento del materiale.

Lo studio ha valutato, sempre in termini teorici, il processo di conversione del calore latente immagazzinato nel silicio fuso in energia elettrica utilizzando per i calcoli i parametri di un dispositivo termofotovoltaico del tipo lega in InGaAsSb.

Progetto del dispositivo LHTES a silicio fuso

I risultati ottenuti dallo studio teorico hanno mostrato che il sistema LHTES proposto è capace di raggiungere delle prestazioni in termini di potenza (da kW a MW), energia (da decine di kWh a decine di MWh) e tempo di rilascio (da ore a giorni) molto interessanti, consentendo una densità di stoccaggio di energia termica fino a circa 1 MWh/m3. La conversione in corrente elettrica dipende chiaramente dall’efficienza del dispositivo termofotovoltaico (dal 20 al 45%), ottenendo così una densità di energia elettrica compresa tra i 200 e i 450 kWh/m3, paragonabile alle batterie al litio di ultima generazione.

e la pratica, australiana

La società australiana 1414 Degrees [4] ha già realizzato un prototipo di dispositivo di accumulo, istallato al Tonsley Park Innovation Precinct di Adelaide, utilizzando come PCM 300 kg di silicio puro, capace di generare 150 kWh di energia, e si dicono pronti alla produzione di un prodotto commerciabile assolutamente versatile. Il presidente della società con sede in Adelaide, Dr. Kevin Moriarty, ha dichiarato che, dopo aver ricevuto le dovute autorizzazioni, si dedicheranno alla produzione di un primo dispositivo in grado di immagazzinare 10 MWh di energia destinato all’industria e un secondo dispositivo da 200 MWh indirizzato verso grandi impianti eolici, parchi fotovoltaici solare o centrali a gas.

L’istallazione del prototipo al Tonsley Park Innovation Precinct – Adelaide

L’intento della 1414 Degrees, sempre secondo il Dr. Moriarty, non è di soppiantare le batterie oggi in commercio ma di andare a colmare un gap presente nel mercato dell’energy storage riguardante le grandi  industrie, i produttori di energia o le nuove realtà periferiche urbane.

Il progetto prevede una dimostrazione di “forza di impatto”, come operazione commerciale, della loro idea sulla gestione dell’approvvigionamento della rete elettrica australiana attraverso un autofinanziamento (dai 5 ai 7 milioni di dollari australiani) di una istallazione del loro dispositivo più grande (200 MWh) su un sito adatto di produzione di energia, preferibilmente un parco eolico.

ilpositivismo.com

Fonti ed approfondimenti

[1] www.energystorage.org
[2] http://www.amadeus-project.eu/index.html
[3] A. Datas et Al. Energy 107 (2016), pag 542–549
[4] http://1414degrees.com.au/

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Luca Pandolfi
Laureato in Chimica Industriale, Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali. Esperienza pluriennale nello studio con tecniche di caratterizzazione chimico-fisica e nella fabbricazione di materiali innovativi applicati sia nel campo della micro-nano elettronica in ambito del monitoraggio ambientale, sia come dispositivi presenti negli impianti rivolti alla produzione di energia da fonte rinnovabile. Analista chimico, responsabile di laboratorio e servizi tecnici in aziende di consulenza in Ambiente e Sicurezza nei Luoghi di lavoro. Esperienza maturata nella Buona Pratica di Laboratorio in ambito delle indagini ambientali in riferimento agli agenti chimici, cancerogeni/mutageni e a materiali contenenti amianto. Coautore di 39 pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali ISI e oratore in diversi convegni internazionali riguardanti lo studio di materiali e processi innovativi.