Il sistema di accumulo a sabbia rappresenta una soluzione efficiente per immagazzinare energia termica generata da fonti rinnovabili. Immagazzinare energia sotto forma di calore non è un’idea nuova. Nel tempo, però, si sono affinati metodi per l’accumulo termico sempre più sofisticati.
Principi di Funzionamento
Un accumulatore a sabbia è composto da un contenitore isolato termicamente riempito di sabbia silicea, attraverso cui viene fatta circolare aria riscaldata da resistenze elettriche, permettendo di immagazzinare energia sotto forma di calore. Il suo funzionamento si struttura in tre fasi: carico, stoccaggio e scarico.
- Carico: Nella prima fase, il letto di particelle solide può essere riscaldato utilizzando riscaldatori elettrici o fluido ad alta temperatura. In questa fase, il letto fluido è attivo per migliorare il trasferimento di calore.
- Stoccaggio: Nella seconda fase, la fluidizzazione è disattivata e la sabbia si accumula sul fondo del modulo, consentendo all’energia assorbita di essere immagazzinata.
- Scarico: Quando la rete di teleriscaldamento ha bisogno di energia, la batteria "scarica" l’aria calda riscaldando l’acqua della rete.
Il funzionamento degli accumulatori a sabbia si basa su principi fisici fondamentali quali la capacità termica, la conduzione e la convezione. La capacità termica (c) è una proprietà che quantifica l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un chilogrammo di materiale di un grado Celsius.
Con calore sensibile, si definisce la quantità di calore che viene scambiata tra due corpi, producendo un cambiamento di temperatura. È detto così il calore in grado di causare una variazione di temperatura in un oggetto. Nel caso del calore latente, si tratta della quantità di calore di una sostanza che subisce un cambiamento di stato.
Vantaggi dell'Utilizzo della Sabbia
Non tutti i tipi di sabbia sono uguali o altrettanto efficaci per l’uso negli accumulatori termici. Sabbia, rocce, sali sono alcuni dei componenti alla base di queste batterie. La sabbia è chimicamente inerte e non reagisce con altri materiali o sostanze. Questo elimina il rischio di reazioni chimiche indesiderate durante il processo di accumulo di calore. Di seguito alcuni vantaggi:
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- Alta Capacità Termica: La sabbia possiede una capacità termica elevata, il che significa che può immagazzinare grandi quantità di calore per ogni grado di aumento della temperatura.
- Disponibilità e Costo: La sabbia è un materiale abbondante e economico.
- Stabilità Chimica e Fisica: La sabbia è chimicamente inerte e non reagisce con altri materiali o sostanze.
Sabbia Silicea: È il tipo di sabbia più comunemente usato negli accumulatori di calore per la sua eccellente resistenza alle alte temperature e per la sua capacità termica relativamente alta.
Applicazioni e Progetti Innovativi
I sistemi di accumulo a sabbia offrono una soluzione interessante sia per applicazioni domestiche che industriali, con vantaggi significativi in termini di costi e sostenibilità ambientale rispetto ai sistemi chimici a batterie. Oltre a stoccare calore, i sistemi di accumulo termico possono stoccare energia elettrica quando viene richiesta.
Siemens Gamesa ha sviluppato un innovativo sistema di accumulo termico utilizzando sabbia riscaldata, denominato “Electric Thermal Energy Storage” (ETES). Magaldi Power offre il sistema “Magaldi Green Thermal Energy Storage” (MGTES) basato sull’uso di sabbia per l’accumulo di energia termica. Vicino a Buccino, nel salernitano, verrà costruita la prima batteria italiana di grande capacità basata sulla sabbia. Entrerà in funzione nel 2024 e contribuirà ad una riduzione dei consumi del 20% per uno stabilimento alimentare fornitore del gruppo Ferrero, equivalenti a 1000 tonnellate in meno all’anno di CO2 emessa.
L’impianto sarà in grado di assorbire energia non solo dall’impianto fotovoltaico, ma anche dalla rete elettrica. Il sistema è composto da moduli in acciaio coibentati all’interno dei quali è contenuta sabbia silicea: durante la fase di carica la sabbia viene portata a 600 gradi, creando quindi alla base del contenitore un letto di sabbia fluidizzato, capace di trattenere la temperatura per giorni.
Esempi di Implementazione
In Finlandia nel 2022 è stata installata la prima batteria a sabbia del mondo. A Kankaanpää, città della Finlandia occidentale, il teleriscaldamento urbano ha da oggi le batterie. In questi giorni, infatti, il produttore di accumulatori termici Polar Night Energy e l’utility elettrica Vatajankoski hanno collegato all’infrastruttura sotterranea uno speciale sistema di stoccaggio in grado di accumulare sotto forma di calore i picchi di energia verde della rete elettrica.
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La possibilità di riscaldare la sabbia per immagazzinare energia, dichiarano i ricercatori, non è una novità. Attualmente l’impianto ha una potenza di 100 kW di energia termica, con una capacità totale di 8 MWh, circa 80 ore di accumulo di energia.
Il Magaldi Green Thermal Energy Storage o MGTES è un accumulo di energia termica ad alta temperatura basato su un letto di sabbia fluidizzata all’interno di un contenitore di acciaio. Una tecnologia pronta per decarbonizzare diversi tipi di industria e non solo. Come dice il nome, l’impianto è realizzato dal Gruppo Magaldi, oggi presente in oltre 50 paesi con sedi operative negli Stati Uniti, Messico, Emirati Arabi, India e Australia.
Progetti Futuri e Ricerca
La necessità crescente di sfruttare il calore per riutilizzarlo o convertirlo in energia utile, spinge la ricerca verso nuove soluzioni di accumulo termico, studiando le proprietà di nuovi materiali o impiegando quelli già esistenti per sfruttare al meglio le loro caratteristiche. Sempre italiana è la startup deeptech I-Tes, che fa capo all’Università di Torino e che ha sviluppato batterie di accumulo termico con materiali a cambio di fase come PCM (Phase Change Materials) e TCM (Thermo Chemical Materials).
Il progetto intende arrivare a mettere a punto due soluzioni pilota: una batteria termica elettrica capace di convertire l’elettricità in eccesso in calore e poi di nuovo in elettricità, e una batteria solare termica progettata per immagazzinare la radiazione solare concentrata e fornire energia elettrica su richiesta.
A livello internazionale, le batterie termiche stanno incontrando un sensibile interesse. Uno degli sviluppi più promettenti, sempre in tema di accumulo termico, è quello che intende sfruttare le proprietà dei PCM per integrarli nei materiali da costruzione.
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