Il calore è una risorsa fondamentale per la vita e per la produzione di molti beni, ma spesso viene sprecato, soprattutto nei processi industriali. Si stima che tra il 20 e il 50% dell’energia utilizzata dall’industria vada persa sotto forma di calore di scarto, disperso dalle superfici delle apparecchiature.
Non sprecare questo calore è possibile, e in parte è già una pratica consolidata da almeno 200 anni. Si stima che il potenziale di generazione di elettricità da energia termica attualmente inutilizzata nei processi industriali sia di ben 150 TWh all’anno.
L’accumulo termico non è una novità, ma lo sono le batterie termiche, che diverse realtà industriali, startup e progetti di ricerca stanno sviluppando. Sabbia, rocce e sali sono alcuni dei componenti alla base di queste batterie. Immagazzinare energia sotto forma di calore non è un’idea nuova, ma nel tempo si sono affinati metodi sempre più sofisticati.
Tipologie di Accumulo Termico
Esistono diverse tipologie di accumulo termico:
- Calore sensibile: la quantità di calore scambiata tra due corpi, producendo un cambiamento di temperatura.
- Calore latente: la quantità di calore di una sostanza che subisce un cambiamento di stato.
Oltre a stoccare calore, i sistemi di accumulo termico possono stoccare energia elettrica quando viene richiesta. Il loro funzionamento si struttura in tre fasi: carico, stoccaggio e scarico.
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Fasi di Funzionamento
- Carico: il letto di particelle solide viene riscaldato utilizzando riscaldatori elettrici o fluido ad alta temperatura, con fluidizzazione attiva per migliorare il trasferimento di calore.
- Stoccaggio: la fluidizzazione è disattivata e la sabbia si accumula sul fondo del modulo, consentendo all’energia assorbita di essere immagazzinata.
- Scarico: quando si desidera calore, l’aria fluisce attraverso la pila di mattoni e viene surriscaldata a più di 1000 °C, erogando flussi di gas per sostituire i combustibili fossili nei processi a combustione diretta e indiretta.
Materiali e Tecnologie Innovative
Diverse aziende e startup stanno sviluppando soluzioni innovative per l'accumulo termico:
- I-Tes: startup italiana dell’Università di Torino che sviluppa batterie di accumulo termico con materiali a cambio di fase come PCM (Phase Change Materials) e TCM (Thermo Chemical Materials).
- Electrified Thermal Solutions: spinoff del MIT che utilizza mattoni refrattari reingegnerizzati per riscaldarli tramite l’effetto Joule fino a 1800°C.
- Antora Energy: startup californiana che utilizza blocchi di carbonio solido riscaldabili fino a 2400 °C per generare elettricità in celle fotovoltaiche tramite radiazione termica.
- Enwave Energy: società energetica canadese che utilizza l’accumulo termico a base di acqua, sfruttando le proprietà delle due materie prime in una reazione reversibile che rilascia calore.
Applicazioni dell'Accumulo Termico
Le batterie termiche possono fornire una fonte affidabile di accumulo di energia per comunità remote o off-grid, che spesso non hanno accesso alla rete elettrica. Un esempio è il progetto abitativo attuato in un’area delle Highland scozzesi, dove le case sono dotate di pompe di calore ad aria, pannelli solari e batterie termiche Sunamp, riducendo i costi energetici del 40-60% rispetto al sistema a gas di petrolio liquefatto originariamente previsto.
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. Due esempi lo offrono Malta e Brenmiller.
- Malta: spinoff di Google X che sviluppa accumulo di energia elettrotermica a lunga durata sfruttando le proprietà dei sali fusi per accumulare il calore e rilasciarlo sotto forma di energia tramite un motore termico.
- Brenmiller: sfrutta le proprietà delle rocce frantumate per stoccare calore, mediante sistemi modulari adattabili a qualsiasi sito industriale.
Pannelli Solari Termici Fai Da Te: Una Guida Dettagliata
I pannelli solari termici sono dispositivi progettati per catturare l’energia del sole e trasformarla in calore, utilizzato principalmente per riscaldare l’acqua. Realizzare un pannello solare termico fai da te richiede una preparazione accurata e l’acquisto di materiali di qualità.
Materiali Necessari
- Collettore solare (ad esempio, una serpentina di tubi in rame o polipropilene)
- Isolamento termico (lana di roccia, polistirene espanso)
- Vetro temperato o policarbonato per la copertura
- Struttura di supporto (legno, alluminio)
- Tubi in rame o polipropilene: utilizzati per il passaggio del fluido termovettore.
Passaggi per la Costruzione
- Costruisci una struttura isolata che funga da involucro per il collettore.
- Installa il collettore all'interno della struttura, assicurandoti che sia ben isolato.
- Fissa il pannello di copertura alla struttura utilizzando viti o sigillanti.
Tipologie di Circolazione dell’Acqua
Esistono diverse tipologie di circolazione dell’acqua in un impianto solare termico fai da te:
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- Circolazione naturale: il liquido del circuito chiuso sale naturalmente verso il serbatoio di accumulo man mano che si riscalda, ritornando al pannello senza bisogno di apparecchiature ausiliarie.
- Circolazione forzata: utilizza una pompa per la circolazione del fluido e una centralina di controllo che ne regola l’avvio e l’arresto in base alla differenza di temperatura tra i pannelli e il serbatoio di accumulo.
- Circolazione combinata: fornisce calore a diverse temperature, sia al circuito dell’acqua sanitaria che a quello del riscaldamento.
Come Costruire un Pannello Solare Termico
Per un’ottimale circolazione del liquido all’interno del reticolo in rame, i tubi principali di ingresso ed uscita, di diametro maggiore, vengono parzialmente strozzati, così da favorire lo scorrimento in verticale. I profilati in alluminio sono sagomati per garantire la tenuta stagna della copertura, inserendo le guarnizioni e fissando i profili che agevolano lo scorrimento dell’acqua piovana. Le coperture in vetro dei due pannelli appoggiano su un profilato con doppia guarnizione. Le coperture vanno bloccate con un supporto a T utilizzando il trapano avvitatore, provvisto di sedi per le guarnizioni superiori. Terminato il montaggio dei profilati con relative guarnizioni, si fissano le scossaline che completano la struttura del pannello.
Alle estremità dei collettori vanno montati i manicotti per il collegamento dei tubi di mandata/ritorno del circuito. In corrispondenza della tubazione che porta il liquido in uscita dai pannelli verso lo scambiatore di calore va inserita la sonda di temperatura, da collegare alla centralina che comanda l’intervento del circolatore.
Centralina e Pompa dell’Impianto Solare Fai Da Te
La fase successiva prevede la realizzazione del circuito chiuso, installando la pompa di circolazione corredata di valvole, manometri, tubazioni di ingresso ed uscita, vaso di espansione e della centralina che ne comanda il funzionamento.
Serbatoio di Accumulo
La capacità del serbatoio va determinata tenendo conto delle esigenze e del numero di componenti della famiglia: si calcola che circa un terzo del suo volume deve essere “a disposizione” (pronto all’uso), diciamo 20 litri per persona, mentre il volume complessivo può essere stimato in circa 50-70 litri per ogni m2 di superficie nel caso di collettori piani, 65-90 litri per ogni m2 di superficie per i collettori sottovuoto.
Dove Collocare i Pannelli Solari
Questi pannelli possono essere collocati sul tetto, rimuovendo una parte di tegole ed ottimizzando all’occorrenza l’inclinazione, oppure a terra, nel qual caso occorre una struttura di supporto. Questa seconda ipotesi, preferibile qualora il tetto non sia orientato in maniera idonea, implica la costruzione di un telaio in profilati metallici quadri 35×35 mm, costituito da 3 barre da 2065 mm e tre triangoli, aventi altezza 1100, profondità 1910 e lato inclinato 2200 mm, su cui fissare i pannelli (2×2 metri) con inclinazione di 30°.
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Accumulo Termico con Materiali Innovativi: Il Cemento e gli Idrati Salini
Un’innovativa ricerca ha esplorato l’utilizzo del cemento come matrice per ospitare gli idrati salini, materiali ad accumulo termico. La caratteristica innovativa presentata dai ricercatori è proprio l’utilizzo del cemento come matrice per ospitare il sale. Il costo totale dei materiali utilizzati è molto basso e le prestazioni energetiche sono buone: il costo energetico, misurato in €/kWh accumulato, è migliore rispetto alla maggior parte dei materiali attualmente utilizzati. Il nuovo materiale mostra inoltre una straordinaria stabilità anche dopo centinaia di cicli.
Stufa a Legna con Accumulo Termico Fai Da Te
Un esempio pratico di accumulo termico fai da te è la realizzazione di un giro fumi in mattone refrattario e argilla collegato a una stufa a legna. Questo sistema permette di recuperare il calore dei fumi, costringendoli a passare lungo un tragitto realizzato in mattone refrattario. In questo modo il calore, invece di essere disperso in atmosfera, può essere accumulato durante la fase di combustione per essere ceduto lentamente nelle ore successive, quando la stufa è spenta.
La costruzione è relativamente semplice, basta avere una buona manualità e un po' di pazienza, anche senza aver mai costruito prima delle strutture in mattone.
Scaldabagno Solare Fai Da Te
Per far funzionare uno scaldabagno solare fai da te, sono necessarie alcune condizioni generali delle quali dovrai accertarti in fase di progettazione. I fattori che determinano il successo del risultato finale sono: l'esposizione e inclinazione del tetto, la latitudine della casa, il calcolo del fabbisogno di acqua pro capite.
Sistemi Utilizzati
- Scaldabagno solare fai da te autonomo: i raggi del sole riscaldano un liquido termovettore che attraverso una serpentina cede calore - senza contatto - all'acqua domestica, contenuta in un serbatoio coibentato e poi messa in circolo per il consumo di acqua calda sanitaria.
- Scaldabagno solare fai da te combinato con pannelli fotovoltaici: si collega il tubo in polietilene ad una pompa elettrica alimentata da un pannello solare. Quando l'irradiamento solare è sufficientemente potente l'acqua nel tubo si scalda, il fotovoltaico aziona la pompa e mette in circolazione l'acqua nella resistenza del boiler.
Tabella dei Costi e Durata dei Pannelli Solari Termici Fai Da Te
| Aspetto | Valore |
|---|---|
| Costo medio | 150-500 euro |
| Tempo di costruzione | 1-2 giorni |
| Durata media | 15-20 anni |
Vantaggi dell'Accumulo Termico
L'accumulo termico offre diversi vantaggi, tra cui:
- Energia termica spalmabile: avere energia termica disponibile nell’arco di tutta la giornata.
- Potenza termica immediata: avere una potenza termica immediata superiore alla potenza del generatore che scalda l’acqua.
- Risparmio energetico: riduzione dei costi della bolletta del gas o elettricità.
- Sostenibilità: riduzione delle emissioni da combustibili fossili.
Le batterie termiche alimentate da energia rinnovabile potrebbero ridurre circa la metà delle emissioni dell’industria, realizzando livelli di efficienza nell’intervallo del 90-98% tra l’energia elettrica e la domanda finale di riscaldamento industriale.