Accumulo di Calore: Materiali e Caratteristiche

In un mondo in continua ricerca di soluzioni sostenibili, gli accumuli termici emergono come elementi fondamentali per massimizzare l'utilizzo dell'energia termica proveniente da fonti rinnovabili. Questi sistemi di accumulo termico si basano su materiali avanzati ad alta capacità termica in grado di immagazzinare e rilasciare calore in modo efficiente.

Cosa sono gli accumuli termici?

Gli accumuli termici sono dispositivi progettati per immagazzinare e rilasciare energia termica in modo efficiente. Questi sistemi consentono di sfruttare al massimo l'energia termica generata da fonti rinnovabili come il sole o altre fonti di calore. In sostanza, gli accumuli termici fungono da "serbatoi" di calore, consentendo di immagazzinare l'energia quando è disponibile e di utilizzarla quando è necessario, garantendo un approvvigionamento continuo e affidabile.

La radiazione solare non è sempre disponibile e raramente può essere sfruttata nello stesso momento in cui si ha necessità di calore. Di conseguenza il calore solare deve essere immagazzinato dagli accumuli termici.

L’ideale sarebbe poter conservare energia solare su base stagionale, accumularla d’estate e utilizzarla in inverno, quando la domanda termica è maggiore. In alcuni paesi del centro-nord Europa (dalla Svizzera alla Germania, fino alla Svezia) da anni esistono esempi di abitazioni a basso consumo energetico dotate di sistemi solari con superfici di collettori estese e accumuli termici molto grandi.

Come requisito minimo, i serbatoi d’accumulo di calore derivante da energia solare dovrebbero contenere almeno la quantità d’acqua sufficiente a coprire il fabbisogno di un paio di giorni, per far fronte alle variazioni di intensità della radiazione solare dovute a eventi meteorologici di breve durata.

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I serbatoi di accumuli termici si differenziano per il loro utilizzo, che può essere per il solo uso di acqua sanitaria, per il riscaldamento degli ambienti, come anche per quanti e quali tipi di fonti energetiche possono essere collegate ad essi.

Negli accumuli termici possono essere collegati dei sensori che rilevano le temperature raggiunte dall’acqua contenuta all’interno del serbatoio d’accumulo costituiscono parte fondamentale del sistema di controllo e regolazione del funzionamento dell’impianto.

Accumuli Termici - Configurazioni nei sistemi solari

Un'applicazione ricorrente riguarda gli impianti destinati al riscaldamento degli ambienti, di media-grossa taglia, in cui l'acqua calda prodotta dal generatore di calore, invece di essere direttamente distribuita ai terminali scaldanti, viene raccolta in un serbatoio d'accumulo (accumulo inerziale), dove resta a disposizione per le periodiche richieste di riscaldamento degli ambienti: il serbatoio in questo caso svolge appunto la funzione di "volano termico", attenuatore delle fluttuazioni di richiesta di calore dell'utenza termica.

Con questa soluzione si riducono i cicli "attacca-stacca" della fonte energetica, prolungandone la vita utile di esercizio e riducendo i consumi (e di emissioni a questi associate).

Accumuli termici - La stratificazione del calore

La connessione idraulica dell'impianto di riscaldamento è guidata dal principio della stratificazione del calore, che implica una maggiore concentrazione di calore nella parte superiore. In altre parole, l'accumulo di calore inizia nella parte superiore del serbatoio, diffondendosi gradualmente verso il basso.

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I punti di prelievo per le utenze sono posizionati nella parte più alta dell’accumulo, in quanto è presente la temperatura più alta.

I collegamenti delle fonti energetiche che portano energia nell’accumulo sono invece posizionati nella parte inferiore, punto più freddo del bollitore e quindi la porzione dove si ha il maggior scambio di calore.

Come funzionano gli accumuli termici?

Il funzionamento degli accumuli termici è basato sul principio di accumulare e rilasciare calore attraverso componenti di scambio specifici. Durante la fase di carica, l'accumulatore termico assorbe l'energia termica disponibile, facendo sì che l’acqua contenuta al suo interno aumenti la sua temperatura per poi essere utilizzata per soddisfare le utenze.

Ecco Come funziona un accumulatore termico

Gli accumulatori termici sono dispositivi progettati per accumulare calore in modo efficiente. Il loro funzionamento è suddivisibile in diverse fasi:

1. Fase di Carica: Durante questa fase, l'accumulatore riceve l'energia termica proveniente da una fonte esterna, come da un pannello solare o da un’altra fonte energetica. In questo processo il calore viene quindi ceduto all’acqua contenuta in esso.
2. Fase di Immagazzinamento: L'energia termica viene ceduta all’acqua contenuta nell’accumulo, che grazie al suo isolamento consente di conservare il calore il più a lungo possibile.
3. Fase di utilizzo: Ogni volta in cui sia richiesto l’utilizzo di acqua calda, questa viene fornita dall’accumulo termico direttamente all’utenza, sia che si tratti di acqua sanitaria o di riscaldamento ambienti.

Come dimensionare gli accumuli termici?

La corretta dimensione degli accumuli termici è essenziale per garantire un'efficienza ottimale del sistema. Questo processo coinvolge diversi fattori, tra cui la potenza termica richiesta, le fonti di calore da abbinare, la tipologia e la quantità di utenze da soddisfare e l'efficienza complessiva del sistema.

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Cosa si intende per sistemi di accumulo termico?

Un sistema di accumulo di energia termica è un insieme di dispositivi e componenti progettati per immagazzinare e utilizzare energia termica in modo efficiente. Questi sistemi sono fondamentali per ottimizzare l'utilizzo delle fonti di energia termica, consentendo di far fronte alle fluttuazioni di disponibilità delle risorse e di garantire un approvvigionamento continuo. I componenti principali di un sistema di accumulo termico includono serbatoi termici, fonti di produzione e sistemi di controllo.

Qual è il principio di funzionamento degli accumuli termici?

Gli accumuli termici sfruttano il principio fondamentale di immagazzinare l'energia termica quando è disponibile e rilasciarla quando necessario.

Esploriamo ora il concetto di accumuli termici, analizzandone la definizione, l'utilità, il processo di ottenimento e i benefici associati. Gli accumuli termici si configurano come serbatoi, accuratamente isolato e con diverse configurazioni in base all'uso previsto.

All'interno del serbatoio è presente acqua comune, che può essere destinata ad uso sanitario o per il riscaldamento degli ambienti.

Per riscaldare l’acqua contenuta negli accumuli termici possono essere impiegate diverse fonti energetiche a seconda dell’impianto che si desidera realizzare. La fonte principale e soprattutto senza alcun costo per riscaldare un accumulo termico è l’energia solare, catturata grazie ai pannelli solari termici, i quali catturano e cedono calore durante tutte le ore di luce. Un impianto che sfrutta l’energia solare riduce l’utilizzo di fonti energetiche a combustibili fossili, riflettendo così un notevole risparmio in bolletta.

I principali vantaggi di accumulare acqua calda in un bollitore sono due: in primo luogo, si ottiene energia termica distribuita uniformemente nell'arco della giornata; in secondo luogo, si ha una potenza termica immediata superiore rispetto ai generatori tradizionali per il riscaldamento dell'acqua. Oltre al solare termico, per generare questo calore "gratuito" e accumularlo per utilizzi successivi, si può utilizzare una pompa di calore abbinata a un impianto fotovoltaico.

Materiali a Cambiamento di Fase (PCM)

Recentemente, si stanno affermando i cosiddetti PCM (Phase Change Materials), che sfruttano il calore latente di fusione/solidificazione e lavorano a temperatura pressoché costante. Il limite di questi materiali è la loro bassa conducibilità termica, che limita la velocità negli scambi di calore, e che si sta cercando di incrementare con additivi ad alta conducibilità, anche su scale nanometriche, oppure con schiume metalliche immerse nel PCM [1]. Esistono svariati tipi di PCM in commercio, sia organici che inorganici, con differenti valori della temperatura di transizione solido-liquido.

I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono ampiamente utilizzati per l’accumulo termico e la termoregolazione di sistemi in temperatura grazie alla loro elevata densità di energia, l’alto calore latente e l’eccellente capacità di termoregolazione. Tuttavia, uno dei principali ostacoli nella diffusione di questa tecnologia risiede nella bassa conducibilità termica, nel effetto di sotto-raffreddamento e nella facile dispersione di questi materiali durante il cambiamento di fase. Per questo, tali sistemi vengono generalmente incapsulati in una matrice porosa, producendo un PCM stabilizzato (ss-PCM) che ne incrementa proprietà, come la conducibilità termica, evitandone la dispersione.

I due principali criteri utilizzati per la scelta del PCM

I due principali criteri utilizzati, per la scelta del PCM più adatto all’applicazio­ne, sono l’entalpia e la temperatura di transizione. Poiché l’energia termica ac­cumulabile è direttamente proporzionale alla massa, maggiore è l’entalpia di transi­zione del materiale (i migliori hanno valori nell’ordine di 220-290 kJ kg/K) minore sarà la massa che sarà necessaria per accumulare la quantità di energia voluta.

La combinazione dei due criteri avrà un impatto diretto sulle dimensioni e sul peso della batteria. Come ogni batteria che si rispetti, per funzionare deve essere “caricata” da una sorgente termica quale un fluido (general­mente acqua) o una resistenza elettrica. Questa sorgente deve essere in grado di raggiungere e mantenere nel tempo una tem­peratura di diversi gradi superiore a quella alla quale il PCM inizia a sciogliersi, passando gradualmente dallo stato solido a quello liquido.

Quando l’intera sostanza ha cambiato stato, la batteria è carica. I più diffusi PCM si possono raggruppare in due grandi categorie: inorganici (in prevalenza si tratta di sali idrati, cioè una miscela di un sale ed acqua) e organici.

All’interno del gruppo dei materiali inorganici, si trovano PCM con temperature di cambio di fase che variano da diversi gradi sotto lo zero fino a valori superiori ai 100 °C. Per gli organici non-pa­raffinici questi valori oscillano tra 5 e 80-85 °C.

Altra caratteristica di grande impatto sulla prestazione finale del­la batteria termica è l’assenza, o la molto limitata presenza, del fenomeno del “supercooling”, che si ha quando, in fase di scari­ca, la transizione di fase non avviene nonostante si sia già scesi ben al di sotto della temperatura teorica alla quale si dovrebbe manifestare.

I PCM possono essere sia oggetto di acquisto da produttori spe­cializzati e successivo impiego diretto, sia frutto di un lavoro di affinamento della composizione della miscela o sulla molecola. L’obiettivo è quello di migliorare una o più specifiche caratteri­stiche, quale ad esempio la stabilità nel tempo.

In funzione del numero dei cicli attesi (un ciclo è un cambiamento di fase soli­do-liquido-solido), si punta ad assicurarsi che la composizione del materiale rimanga omogenea nel tempo, all’interno dell’inte­ra massa. Considerando una media di 1,0-1,5 cicli/giorno (tipico delle applicazioni residenziali domestiche) stiamo parlando di una vita utile teorica, compresa tra un minimo di 18 a un massimo di 25 anni.

Per la classificazione delle prestazioni dei materiali PCM, non esistono ancora norme internazionali di riferimento. Al momento ci si riferisce allo standard RAL-GZ 896, definito dalla RAL Quali­ty Association.

Applicazioni degli Accumuli Termici

I sistemi di accumulo termico hanno suscitato un interesse via via crescente perché consentono sia di disaccoppiare produzione e domanda di energia nei sistemi alimentati da fonte solare, sia di migliorare l'affidabilità e la flessibilità delle reti elettriche. Infatti, attualmente queste sono caratterizzate da forte presenza di impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, non programmabili, come fotovoltaici ed eolici.

Per quanto riguarda le applicazioni dei sistemi di accumulo termico a bassa temperatura, con la crescente elettrificazione dei sistemi di condizionamento dell'aria, questi sistemi sono sempre più utilizzati nello sviluppo di programmi di gestione del carico elettrico, poiché consentono la gestione del carico di picco mediante lo spostamento del carico elettrico per il condizionamento ambientale, oltreché per migliorare la flessibilità della rete in caso di elevata percentuale di elettricità da rinnovabili.

Le interruzioni accidentali dell’erogazione sono eventi quanto mai rari e limitati nel tempo. Questo comporterà un continuo dialogo tra la rete e le utenze, con interventi di limitazione della potenza disponibile, brevi ma frequenti nell’arco della gior­nata.

L’analisi dell’andamento dei carichi nel tempo in un edificio o in un processo industriale, consente di dimensio­nare la batteria termica per coprirli se non del tutto almeno per una parte significativa.

È anche noto l’impiego in edilizia di elementi contenenti PCM, utilizzati per aumentare la “massa termica”, in particolare ai fini della climatizzazione estiva, di strutture leggere. Durante la gior­nata il materiale assorbe il calore proveniente dall’esterno, che viene poi ceduto durante le ore notturne, nuovamente all’am­biente esterno.

Il dimensionamento di questo secondo scambiatore determina la “potenza apparente” della batteria, cioè la capacità di riversa­re l’energia accumulata nell’unità di tempo. L’isolamento del PCM è il terzo componente principale della bat­teria.

Nelle applicazioni residenziali è sempre presente una resisten­za elettrica di integrazione e backup, di potenza compresa da 2,5-2,8 kW, che assicura la disponibilità di acqua calda sanitaria anche in caso di guasto della pompa di calore.

Batterie Termiche

Il mercato mondiale degli accumuli termici ad acqua è destinato a crescere poiché strettamente connesso a quello delle pompe di calore elettriche, delle quali sono l’indispensabile complemento, in particolare per la produzione di acqua calda sanitaria. Le rinnovabili elettriche (solare ed eolico) sono per loro natura non programmabili.

Il loro sempre crescente peso nell’ambito della generazione, richiede nuove forme di utilizzo, bilanciamento e stoccaggio, così da trarre il massimo da queste due inesauribili e preziose fonti di energia. Allo stesso tempo, anche gli edifici sono caratterizzati da un fabbisogno variabile di energia, sia per il mantenimento del clima interno che per la produzione di acqua calda sanitaria. Disponibilità e fabbisogno non sono sempre sovrapponibili tra loro.

Il mercato mondiale degli accumuli termici ad acqua è stimato essere intorno ai 43 milioni di pezzi all’anno. Oltre ad essere molto probabilmente una stima per difetto, è opinione diffusa che si tratti di un mercato destinato a crescere, nel prossimo decennio, di diversi milioni di unità all’anno poiché strettamente connesso a quello delle pompe di calore elettriche, delle quali sono l’in­dispensabile complemento in particolare per la produzione di acqua calda sanitaria.

Per questi prodotti, le aziende che pro­muovono la tecnologia PCM, preferiscono la definizione di batteria termica rispetto a quella di accumulo termico.

A oggi il mercato propone famiglie di batterie termiche, per pro­duzione acqua calda sanitaria, che utilizzano PCM di origine di­versa, con diverse temperature di cambio di fase. I valori relativi alla T mandata dalla pompa di calore ci dicono che la prima famiglia è più adatta al funzionamento con la nuo­va generazione di pompe di calore a R290 mentre la seconda è in grado di lavorare anche con unità che utilizzano R32 come refrigerante.

Le batterie termiche nascono con il preciso obiettivo di offrire un’alternativa più compatta al tradizionale accumulo termico ad acqua. Il peso, molto simile a quello dell’accumulo tradizionale caricato d’acqua, è quasi equamente diviso tra il PCM e gli scambiatori.

Come abbiamo visto, le batterie termiche a PCM sono estrema­mente versatili poiché possono utilizzare materiali diversi, cia­scuno dei quali caratterizzato da temperature di cambio di fase molto diverse tra loro. Se da un lato, le esigenze di settori tanto diversi tra loro possono essere soddisfatti dalla stessa tecnologia, dall’altro richiedono un approccio industriale profondamente diverso.

In particolare, il settore residenziale impone di individuare una soluzione che sia fortemente industrializzata (con taglie compre­se tra i 5 e i 15 kWh) così da consentire una rapida “scalabilità” in termini di quantità prodotte. Solo così si può pensare di avere successo in un ambito, quello dell’accumulo termico sanitario, caratterizzato da una soglia economica d’ingresso piuttosto bas­sa.

I produttori ritengono che qualche ulteriore significativa ridu­zione di costo si possa ottenere nell’arco dei prossimi due o tre anni, a fronte di uno sviluppo e una successiva stabilizzazione della domanda nell’ordine di qualche decina di migliaia di pezzi all’anno.

Resta il fatto che le batterie termiche in ambito residenziale possono già oggi essere la soluzione in grado di aprire definiti­vamente, alle pompe di calore, l’accesso al segmento della ri­qualificazione di appartamenti, dotati di caldaia autonoma con produzione istantanea di acqua calda sanitaria, nei contesti con­dominiali.

Giocare la partita dei volumi richiede investimenti significativi sia in termini di entità che di solidità finanziaria, in attesa del ritorno pianificato. In assenza di queste condizioni alcuni produttori hanno deciso di concentrare le proprie competenze sui settori commerciale e industriale.

La domanda di mercato relativa agli accumuli per acqua calda sanitaria è concentrata su tre volumi: 150, 200 e 300 litri. Il database EPREL (Banca dati europea dei prodotti per l’etichet­tatura energetica) (tabella 1) ci mostra come l’87% dei bollitori cilindrici convenzionali presenti sul mercato sia concentrato nel­le classi B e C (tabella 1). Le batterie termiche a PCM andrebbero a collocarsi nelle classi A o A+, con valori di dispersioni in valori assoluti inferiori del 40-50%.

Accumulo Termico Trimodale

Arriva dall’Australia un nuovo e sorprendente materiale in grado di offrire un accumulo termico trimodale per immagazzinare energia in maniera economica e sostenibile. Succede nei laboratori di chimica della Monash University, dove un gruppo di scienziati ha scoperto il primo composto in grado di conservare sinergicamente grandi quantità di energia termica integrando tre distinte modalità di accumulo: latente, termochimica e sensibile.

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