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 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.
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.
Gli accumulatori termici sono dispositivi progettati per accumulare calore in modo efficiente. Il loro funzionamento è suddivisibile in diverse fasi:
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- 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.
- 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.
- 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.
Sistemi di Accumulo Termico: Cosa Sono?
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.
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.
Materiali per l'Accumulo Termico: Un Confronto Approfondito
Il campo del thermal energy storage (TES) si affida principalmente a tre approcci:
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- Accumulo di calore sensibile
- Accumulo di calore latente
- Accumulo di calore termochimico
Accumulo di Calore Sensibile
Questo metodo immagazzina energia termica attraverso l’aumento o la diminuzione della temperatura di un mezzo di accumulo. Il processo si basa sul principio fisico per cui ogni sostanza ha una capacità termica specifica, ovvero la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado la temperatura di un’unità di massa di quella sostanza. Sfruttando questa proprietà, si scelgono materiali con un’elevata capacità termica, come i sali fusi, oli, cemento, rocce calde o alcuni metalli che possono assorbire grandi quantità di calore senza subire significative variazioni di stato.
Vantaggi: Rappresenta la tecnica più diffusa e i materiali sono generalmente economici e sicuri. Inoltre può essere implementata in diversi modi, ad esempio attraverso serbatoi, sistemi sotterranei (UTES) o unità a letto impaccato.
Svantaggi: L’efficienza dipende dalle proprietà del materiale e la temperatura di estrazione può variare. E richiede una progettazione accurata per garantire una fase di scarica costante.
Accumulo di Calore Latente
Questo metodo di stoccaggio termico sfrutta il passaggio di stato di particolari materiali, chiamati Materiali a Cambio di Fase (PCM- Phase-Change Material). Durante questa transizione, il materiale assorbe o rilascia una grande quantità di calore senza subire variazioni significative di temperatura. Sono PCM alcuni sali, polimeri, gel, cere di paraffina, leghe metalliche e leghe di semiconduttori e metalli.
Vantaggi: I Materiali a Cambio di Fase possono immagazzinare grandi quantità di energia in un volume relativamente piccolo (alta densità energetica) e possono essere selezionati per diverse applicazioni e intervalli di temperatura.
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Svantaggi: I materiali più performanti sono anche quelli più costosi. Inoltre richiedono spesso architetture complesse e l’intervallo di temperatura di funzionamento è limitato dalla temperatura di fusione del PCM.
Accumulo di Calore Termochimico
Questo metodo di accumulo dell’energia termica sfrutta reazioni chimiche reversibili. In fase di “carica” il sistema assorbe calore che, a sua volta rompe i legami chimici della sostanza di accumulo. I prodotti di reazione (molto reattivi) così ottenuti vengono separati. In fase di scarica quest’ultimi vengono nuovamente miscelati, i legami si riformano, la sostanza riacquista la forma originale e il sistema rilascia calore. Per l’accumulo termochimico sono impiegati solitamente alcuni ossidi, sali (es. Cloruro di nitrosile), zeoliti, gel di silice e molecole organiche (es. norbornadiene).
Vantaggi: Il metodo riesce ad immagazzinare grandi quantità di energia termica in un piccolo volume e per periodi prolungati (es dall’estate all’inverno), senza significative perdite. Inoltre risulta particolarmente flessibile riuscendo ad adattarsi a diverse scale di applicazione.
Svantaggi: Si tratta di una tecnologia ancora immatura, caratterizzata pertanto da alti costi, e che richiede una gestione accurata delle reazioni chimiche e dei materiali coinvolti. Inoltre l’efficienza complessiva del processo può essere influenzata da vari fattori, come le perdite di calore e la reversibilità delle reazioni.
Nuovi Materiali per l’Accumulo Termico Trimodale
Il team dell’ateneo australiano è riuscito ad ottenere il primo materiale di accumulo termico trimodale, ossia capace di integrare tutti e tre gli approcci sopra descritti. Il composto in questione è una miscela di acidi borico e succinico, che subisce una transizione a circa 150 °C. Nel dettaglio l’acido borico fonde subendo simultaneamente la disidratazione in acido metaborico e acqua che si dissolvono nel liquido. Essendo trattenuto allo stato liquido, l’acido metaborico si reidrata facilmente per riformare l’acido borico durante il raffreddamento.
Il materiale può immagazzinare 600 MJ/m3 di energia termica, ovvero una quantità quasi doppia rispetto a quella stoccata da molti materiali esistenti.
“Questo composto rappresenta un importante passo avanti nell’accumulo di energia termica”, ha affermato l’autrice principale dello studio, la dott.ssa Karolina Matuszek della Facoltà di Chimica dell’Università di Monash. “Integrando tre distinte forme di accumulo di energia in un unico materiale, abbiamo raggiunto un livello di efficienza e prestazioni che in precedenza era irraggiungibile”.
Secondo i chimici il nuovo sistema trimodale apre nuove possibilità per la batteria Carnot, una tecnologia di accumulo che trasforma l’elettricità in energia termica e viceversa. “Uno dei grandi vantaggi di questo materiale è la sua sostenibilità. L’acido borico e l’acido succinico sono entrambi poco costosi e rispettosi dell’ambiente, rendendo questa una soluzione veramente ecologica”.
Accumulo Termico nell'Edilizia: ECH2O di Baxi
Disponibile in due modelli (da 300 L e 500 L, a seconda del fabbisogno di acqua calda sanitaria) lo scaldacqua in pompa di calore ECH2O vanta ben quattro modalità di regolazione per rispondere a tutte le esigenze e abitudini di consumo:
- Modalità ECO: è la soluzione più economica in assoluto.
- Modalità AUTO: funziona nello stesso modo della modalità ECO. Tuttavia, in caso di bisogno, la resistenza elettrica integrata nel sistema è abilitata a entrare in funzione per garantire un comfort ottimale in tutte le situazioni. Con questa modalità, la priorità viene data al funzionamento termodinamico per favorire al massimo la parte svolta dalla pompa di calore.
- Modalità SILENZIO: l'unità esterna della pompa di calore funziona a potenza ridotta, quindi il livello sonoro generato è inferiore.
- Modalità BOOST: se vi è l'esigenza di una grande quantità di acqua calda per una durata breve, è possibile attivare la modalità BOOST. In questo modo la pompa di calore e la resistenza elettrica ausiliaria funzioneranno contemporaneamente per raggiungere il più rapidamente possibile la temperatura impostata per l'acqua calda.
L’accumulo termico è costituito da due strati di polipropilene tra i quali è iniettata una schiuma di poliuretano, per garantire un isolamento perfetto dello scaldacqua. Il serbatoio di accumulo a vaso aperto viene riempito, in fase di installazione, con un’acqua chiamata "acqua tecnica": quest’acqua immagazzina l'energia e la restituisce in un secondo momento per riscaldare l'acqua calda sanitaria. L’acqua di rete, fredda, entra in uno specifico scambiatore corrugato e viene riscaldata secondo il principio della produzione istantanea. L'assenza di stoccaggio dell'acqua influisce fortemente sulla qualità dell'acqua sanitaria prodotta, che risulta pura. L’isolamento del serbatoio è realizzato tramite due strati di polipropilene tra i quali è iniettata della schiuma di poliuretano (5,6 cm). Questa tecnologia non necessita di alcuna specifica protezione anticorrosione. L’unità da 500 L presenta grande flessibilità grazie alla predisposizione di uno scambiatore aggiuntivo, al quale è possibile collegare un sistema solare in pressione o un generatore ausiliario anche preesistente. L'unione della pompa di calore con il serbatoio di accumulo e l'assenza di apparecchiature come il vaso di espansione rendono molto più facile l'installazione di questo sistema. È possibile collegare l’accumulo ai pannelli solari a svuotamento automatico Solaris DB (Drain-Back) posti sul tetto della casa. Il collegamento è semplice poiché lo scaldacqua ECH2O è dotato di uscite per l’impianto solare premontate in fabbrica. L’eccellente scambio termico e la semplicità di installazione e di utilizzo sono i principali vantaggi della soluzione a svuotamento automatico Solaris DB.
Accumulo Termico e Sistemi Solari
Accrescere la quota di autoconsumo grazie all’utilizzo di pompe di calore significa non solo valorizzare il proprio sistema fotovoltaico ma anche accrescere il proprio grado d’indipendenza energetica rispettando l’ambiente. 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.
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.
Configurazioni con Accumuli Termici Diretti (Accumulo Inerziale)
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.
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.
Accumulo Termico e Ricerca
Presso il Centro Ricerche ENEA di Portici, è presente il Laboratorio Prove Sistemi di Accumulo Termico (LPSAT), in cui vengono svolte attività riguardanti la sperimentazione, la modellazione termo-fluidodinamica e la simulazione numerica di sistemi innovativi per l’accumulo termico a temperature medio-basse, e di sistemi per l’accumulo del “freddo”. Il laboratorio è anche impiegato per la caratterizzazione termo-fisica di materiali a cambiamento di fase (PCM) e per l’implementazione sperimentale di strategie innovative per la gestione e il controllo di impianti poli-generativi con accumulo termico per applicazioni residenziali. Il laboratorio è dotato di due impianti, uno per l’analisi sperimentale di sistemi di accumulo di energia termica a temperature medio-basse, e l’altro per l’accumulo del “freddo”. Si tratta di sistemi che lavorano sopra i 150 °C utili per molti processi industriali, per la produzione di energia elettrica o per alimentare reazioni chimiche.
Accumulo Termico: un investimento per il futuro
Gli accumuli termici rappresentano un elemento cruciale nell'ottimizzazione dell'energia termica, svolgendo un ruolo chiave per garantire una gestione efficiente e sostenibile delle risorse energetiche.