“Riciclare” il calore di scarto è una delle soluzioni più preziose sul fronte del risparmio energetico. Negli anni la tecnologia ha compiuto notevoli progressi, riutilizzando sulla stessa energia termica in altri processi o convertendola in elettricità. Non sprecare questo calore, utilizzandolo al meglio, è possibile. In parte, è già una possibilità conosciuta e praticata da almeno 200 anni.
Generatori Termoelettrici: Una Soluzione Promettente
I generatori termoelettrici (TEG), noti anche come “convertitori termoelettrici”, sono un’ottima risorsa per generare elettricità riutilizzando il calore altrimenti sprecato. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, esiste una barriera fisica. I generatori termoelettrici, ad esempio, richiedono grandi differenze di temperature per riuscire a convertire il calore di scarto in elettricità. E, nonostante ciò, le efficienze del processo rimangono molto piccole. Non solo, i materiali termoelettrici utilizzati finora sono costosi e talvolta persino tossici.
Gli scienziati del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e della Tōhoku University si sono affidati al termomagnetismo per creare dei dispositivi di conversione in grado di operare anche con piccolissime differenze di temperature. Un team di scienziati internazionali sta testando una via alternativa: i generatori termomagnetici. Questi sistemi si basano su leghe, le cui proprietà magnetiche dipendono fortemente dalla temperatura. Al di sotto di certe temperature, il materiale è magnetico, al di sopra no. Quindi se la lega viene portata alternativamente a contatto con freddo e caldo, la magnetizzazione del materiale cambia in maniera continua. Ciò a sua volta induce una tensione elettrica nella bobina applicata al generatore.
Il concetto è noto da un centinaio di anni, ma il rendimento di questa tecnologia non ha mai raggiunto il livello dei dispositivi termoelettrici. Oggi un team composto dagli scienziati dell’Institute of Microstructure Technology del KIT e dell’Università Tōhoku ha trovato un modo per aumentare la loro potenza elettrica. Gli scienziati hanno impiegato le cosiddette leghe di Heusler - composti magnetici intermetallici - trasformandole in film sottili con cui realizzare i generatori.
Nanotecnologie e Silicio: Una Nuova Frontiera
Strutture in silicio dell’ordine di grandezza di nanometri (nanostrutture) e integrabili su chip che funzionano da generatori termoelettrici, convertendo direttamente il calore in energia elettrica. Nuovi dispositivi termoelettrici nanostrutturati basati su silicio permetteranno la conversione diretta del calore in elettricità a basso costo e ad alta resa.
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“I dispositivi termoelettrici - spiega Giovanni Pennelli, docente di elettronica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione e coordinatore del Laboratorio di Nanotecnologie - servono per convertire il calore in energia elettrica in modo affidabile e durevole. Tuttavia, quelli in uso fino ad ora hanno costi elevatissimi, che derivano soprattutto dal materiale usato per costruirli, che è il tellurio, un minerale rarissimo e molto tossico. Nonostante le potenzialità quindi, hanno avuto fino ad ora un campo di impiego estremamente limitato.
Lo studio del gruppo di Pisa e Milano ha stabilito che questa possibilità esiste utilizzando al posto del tellurio delle nanostrutture in silicio, un materiale abbondante sulla Terra, bio-compatibile e molto economico da processare. I dispositivi termoelettrici in silicio possono essere prodotti su grande scala e in maniera economica con le stesse tecnologie usate per i circuiti elettronici, consentendo il recupero di energia elettrica da qualsiasi fonte di calore, come le ciminiere delle fabbriche, oppure l’energia geotermica, rilasciata dal calore naturale del Pianeta.
“Siamo riusciti a produrre un chip in silicio nanostrutturato che produce energia elettrica - spiega Giovanni Pennelli, docente di elettronica al DII e coordinatore del gruppo di ricerca - In genere, i chip di silicio consumano energia per svolgere delle attività, come fare conti (microprocessori), trasmettere informazioni (i chip del telefono cellulare), misurare delle grandezze (sensori di temperatura, pressione, ...), ed hanno bisogno di essere alimentati.
“Il nostro dispositivo - aggiunge Elisabetta Dimaggio, ricercatrice di elettronica al DII - funziona ovunque ci sia elettronica da alimentare a bassa potenza, per esempio con nodi sensori, e potrebbe essere un elemento importantissimo per abbattere costi e inquinamento in contesti industriali. Inoltre, il dispositivo termoelettrico si potrebbe usare anche per raffreddare le superfici, quindi non solo come generatore ma anche integrato in sistemi che si riscaldano durante il funzionamento, come enormi data center.
Da anni, il gruppo di ricerca del DII studia l’uso del silicio per la produzione di energia elettrica. “La ricerca che sfrutta le proprietà di alcuni materiali per produrre energia green - commenta Sergio Saponara, Direttore del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione - è fondamentale per fornire alle aziende gli strumenti per una transizione digitale secondo i principi richiesti dalle trasformazioni dell’industria 5.0, che devono avere al centro persone e ambiente.
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Un team di ingegneri elettronici dell’Università di Pisa ha messo a punto delle nanostrutture in silicio integrabili sui chip per generare elettricità dal calore. Si tratta di un procedimento per diversi aspetti unico al mondo. Intanto si ragiona in scala più ampia per applicazioni più grandi, sfruttabili a livello industriale per recuperare il calore oggi sprecatoProdurre elettricità dal calore, sfruttando la fisica per creare chip in grado di generare energia elettrica per altri dispositivi senza utilizzare batterie.
È quanto ha messo in pratica un team di ingegneri elettronici dell’Università di Pisa, gettando le basi per una scoperta che apre le porte a dispositivi capaci di autoalimentarsi, basandosi su un elemento biocompatibile e abbondante in natura come il silicio, secondo solo all’ossigeno sulla crosta terrestre. Il principio su cui si basa il loro lavoro è per molti aspetti unico al mondo, ma non opera solo a livello nanometrico. Un secondo filone di ricerca sta cercando di raggiungere delle economie di scala per produrre e convertire il calore in energia elettrica.
Tutto si basa sulla possibilità di sfruttare il calore, spesso sprecato. Si consideri che il 70% del calore prodotto per l’energia elettrica, nelle industrie, viene disperso. Ecco, allora, che la ricerca italiana condotta dagli scienziati dell’ateneo pisano apre a prospettive di enorme importanza, per l’elettronica e non solo.
Come produrre un chip in silicio nanostrutturato
Il primo filone della ricerca si basa sulla produzione di un chip in silicio nanostrutturato in modo da trasformare un dispositivo che solitamente consuma energia, per svolgere diverse attività, in uno capace di produrla. Il principio in base al quale si produce energia dal calore è noto da molto tempo, ed è il principio della termoelettricità. Fu Alessandro Volta, alla fine del XVIII secolo a rilevare il collegamento esistente fra elettricità e calore.
È un principio alla base dei sensori, come le termocoppie. Queste ultime, però, producono un piccolissimo segnale elettrico a partire dal calore, più che sufficiente per effettuare la misura della temperatura, ma non certo per pensarla come sorgente di alimentazione. “C’è uno sforzo, in tutto il mondo, di aumentare questa efficienza di conversione del calore e dell’energia con l’effetto termoelettrico. Quella messa a punto dal nostro team di ricerca guarda alla possibilità di usare la nanostrutturazione”.
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A introdurci sul lavoro svolto è Giovanni Pennelli, docente di elettronica al Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DII) dell’Università di Pisa e coordinatore del gruppo di ricerca. È sempre lui a spiegare come il team sia riuscito a creare le condizioni per convertire il calore in energia elettrica. Invece la nanostrutturazione consente di sdoppiare la conduzione elettrica da quella termica. Quindi, se si prende un nanofilo di silicio, da 100 nanometri di diametro, e si fa passare la corrente elettrica, essa lo percorre senza problemi, fungendo invece da isolante dal punto di vista termico”.
Quindi, questa unione di isolante termico e buon conduttore elettrico, fa sì che l’efficienza di conversione di una buona parte del calore che attraversa il dispositivo sia tale da essere tradotto in energia elettrica, in modo economicamente conveniente.“Le nostre tecnologie, in teoria, sono compatibili con quei circuiti integrati e quindi possono essere usate per realizzare piccoli dispositivi in grado di alimentarne altri”.
Il secondo filone è altrettanto interessante. In una ricerca svolta in collaborazione con le Università di Warwick e di Milano-Bicocca, pubblicata sulla rivista “Nano Energy” i ricercatori hanno dimostrato che l’efficienza del silicio nel produrre energia può essere quasi triplicata rispetto a quanto supposto finora. Lo stesso docente conferma la bontà della ricerca: “lavoriamo in parallelo con un’altra tecnologia in grado di raggiungere delle economie di scala per produrre e convertire il calore in elettricità”.
Una ricerca di interesse mondiale
Qual è l’elemento peculiare della ricerca dell’ateneo pisano che la rendono per molti aspetti unica a livello mondiale, in tema di conversione di elettricità dal calore? “I dispositivi termoelettrici, come detto, esistono già da tempo. Si pensi, per esempio, alle celle di Peltier. Essi si basano, però, sul tellurio. Oltre a essere tossico, è un elemento raro in natura.
La nostra proposta, basata sul silicio, intende proporsi come valida alternativa, contando sul fatto che il silicio è un materiale molto abbondante sulla Terra. Inoltre, è ecosostenibile, oltre che economico, ed è tecnologicamente maturo per l’impiego e per modificare la conducibilità elettrica in maniera controllata. La valenza della nostra ricerca è che per primi abbiamo dimostrato l’implementazione nella linea di produzione dei circuiti integrati, mettendo insieme numerose nanostrutture in silicio, connettendole in maniera opportuna, studiando la distribuzione del calore, e creando le condizioni per l’ottimizzazione della potenza elettrica”, specifica ancora Pennelli.
Il chip messo a punto dal team dell’Università di Pisa si basa sugli stessi principi di quelli tradizionali, a parte la modifica pensata per la termoelettricità. La linea che sta sviluppando impiega processi di metal assisted chemical etching, ovvero un processo di incisione chimica di semiconduttori che vede l’impiego di un catalizzatore metallico, solitamente depositato sulla superficie di un semiconduttore sotto forma di film sottile o nanoparticelle. Grazie a questo processo di litografia hanno realizzato un dispositivo di 5 millimetri quadrati, sufficiente per alimentare un nodo sensore.
“Pensando agli impieghi tipici di Industria 4.0, dove l’impiego di sensori è ampio, il nostro dispositivo on-chip assume una grande valenza poter pensare a dispositivi autoalimentati, senza bisogno di batterie. Per il secondo filone di ricerca, siamo alla ricerca di un investitore disponibile per lo sviluppo dimostrativo su grandi aree, con costi comparabili a quelli di pannelli fotovoltaici”.
Generare elettricità dal calore. I nodi da sciogliere e le potenzialità future
Il team di ricerca dell’ateneo pisano ora guarda avanti per la conversione in elettricità dal calore. Sul filone del dispositivo on-chip, “siamo abbastanza avanti. Il dispositivo termoelettrico c’è, manca la parte meccanica di assemblaggio, relativamente semplice rispetto a quello che è già stato fatto - spiega il coordinatore -. Per quanto riguarda, invece, la tecnologia di più ampia scala, occorre dimostrare la fattibilità su superfici più ampie di quelle condotte.
Finora, infatti, si è lavorato su soluzioni di qualche centimetro quadrato e provata la scalabilità. Ora serve mettere a punto una linea pilota che produca dispositivi su aree di decimetri quadrati, verificando costi, fattibilità di fabbricazione e la caratterizzazione e l’efficienza. I risultati ottenuti finora sono stati eccellenti e molto promettenti”.
Le potenziali applicazioni del primo filone possono portare a dispositivi che rendano autonomi dal punto di vista energetico componenti come i sensori. Inoltre, il dispositivo termoelettrico potrebbe trovare applicazione anche per raffreddare le superfici, quindi non solo come generatore ma anche integrato in sistemi che si riscaldano durante il funzionamento, come enormi data center. In questo caso, la ricerca è stata condotta in collaborazione con IMB-CNM, CSIC di Barcellona, ed è stata pubblicata con un articolo sulla rivista scientifica “Small”.
Il filone su larga scala, dal punto di vista delle potenzialità, potrebbe permettere sfruttare al meglio il calore oggi prodotto e disperso in molteplici ambiti industriali.
Batterie Termiche: Accumulo e Rilascio di Energia
L’accumulo termico non è una novità: lo sono, invece, le batterie termiche, che diverse realtà industriali, startup e progetti di ricerca stanno mettendo a punto. Sabbia, rocce, sali sono alcuni dei componenti alla base di queste batterie. 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.
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.
Funzionamento delle Batterie Termiche
Oltre a stoccare calore, i sistemi di accumulo termico possono stoccare energia elettrica quando viene richiesta. Il suo funzionamento si struttura in tre fasi: carico, stoccaggio e scarico. Nella prima, 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. Nella seconda, la fluidizzazione è disattivata e la sabbia si accumula sul fondo del modulo, consentendo all’energia assorbita di essere immagazzinata.
Progetti e Startup Innovative
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 termicaprogettata per immagazzinare la radiazione solare concentrata e fornire energia elettrica su richiesta.
A livello internazionale, le batterie termiche stanno incontrando un sensibile interesse. Il sistema di storage termico messo a punto dall’azienda si basa su un riscaldatore a resistenza, che trasforma l’elettricità (proveniente da impianti eolici o fotovoltaici) in calore, un po’ come funziona una stufetta elettrica.
Quando si desidera calore, l’aria fluisce attraverso la pila di mattoni e viene surriscaldata a più di 1000 °C: oltre all’aria calda, può erogare altri flussi di gas, sostituendo così i combustibili fossili nei processi a combustione diretta e indiretta. Utilizza sempre mattoni refrattari, reingegnerizzando le loro caratteristiche, lo spinoff del MIT Electrified Thermal Solutions.
Nel caso specifico, la batteria termica si carica facendo passare l’elettricità direttamente attraverso i mattoni per riscaldarli tramite l’effetto joule (fenomeno per cui qualsiasi conduttore elettrico si riscalda, se percorso da corrente elettrica) fino a 1800°C. Un altro aspetto di interesse del sistema è legato al suo uso in campo energetico. La batteria termica può essere adattata a un impianto a gas esistente: quando c’è energia elettrica in eccesso (prodotta da rinnovabili), converte l’elettricità in calore e la immagazzina.
Un’altra startup californiana, Antora Energy, sfrutta, invece, per le sue batterie termiche, blocchi di carbonio solido, riscaldabili fino a 2400 °C. Si tratta, più nello specifico, di una tecnologia di generazione energetica in grado di usare la radiazione termica per generare elettricità in celle fotovoltaiche.
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. In particolare, lo studio illustra lo sviluppo di un nuovo processo per applicare un rivestimento in silice a specifiche microcapsule in silice bioispirata. Sempre in edilizia, l’accumulo termico a base di acqua è sfruttato dalla società energetica canadese Enwave Energy, che ha progettato e installato a Toronto un impianto di accumulo termico costituito da acqua.
Il suo funzionamento si basa sulle proprietà delle due materie prime. Questa reazione rilascia calore ed è un processo reversibile. Quando viene aggiunto calore per separare l’acqua dal nuovo cristallo, si ottengono di nuovo i due componenti originali. In questo modo è possibile immagazzinare molto calore in un volume decisamente compatto. Ma non solo.
Il Progetto InTEGrated del Gruppo Pittini
Attraverso un prototipo industriale di moduli TEG (Thermo Electric Generator), installato nell’acciaieria di Osoppo, il Gruppo Pittini avvia la produzione di energia elettrica senza emissioni di CO2. Una grande quantità di calore proveniente dall’energia che consumiamo nell’acciaieria viene essenzialmente sprecata, spesso dispersa nell’atmosfera.
Per trovare una soluzione a questo problema, nel 2020, è stato avviato il progetto europeo di ricerca InTEGrated, a cui aderisce anche il Gruppo Pittini. Le sperimentazioni che il Gruppo Pittini sta svolgendo hanno impatti industriali ma anche socio-economici: rendere conveniente il recupero dell’energia termica generata dal processo di produzione dell’acciaio consentirà alle industrie di produrre elettricità autonomamente, diminuendo di conseguenza la dipendenza dai fornitori esterni.
Tecnologia "Zero-Vacuum Gap"
Una nuova tecnologia che trasforma il calore di scarto in elettricità, “in un modo che prende letteralmente in giro la legge di base della fisica termica“. “Il calore è una fonte di energia rinnovabile che viene spesso trascurata“, racconta il professore Longji Cui della CU Boulder, “Due terzi di tutta l’energia che utilizziamo viene trasformata in calore di scarto.
Il punto di svolta della ricerca risiede nell’adozione di una soluzione denominata “zero-vacuum gap”. Mentre i dispositivi TPV tradizionali presentano un’intercapedine riempita di gas o vuoto tra la fonte di calore e la cella solare, il nuovo modello impiega un distanziatore isolante in vetro, trasparente agli infrarossi e ad alto indice di rifrazione.
“In precedenza, quando le persone volevano migliorare la densità di potenza, dovevano aumentare la temperatura. Diciamo un aumento da 1.500 C a 2.000 C. A volte anche più in alto, il che alla fine diventa intollerabile e pericoloso per l’intero sistema energetico“, ha spiegato Cui. “Ora possiamo lavorare a temperature più basse che sono compatibili con la maggior parte dei processi industriali, pur generando energia elettrica simile a quella di prima.
Secondo il professor Cui, questa tecnologia ha il potenziale per trasformare settori chiave, riducendo le emissioni di carbonio e migliorando l’efficienza dei sistemi di generazione di energia. Infatti la sua principale caratteristica (quella di lavorare anche a “basse” temperature) la rende particolarmente adatta a processi industriali come la produzione di vetro, acciaio e cemento.
Potenziale di Generazione e Sfide
Si stima che il potenziale di generazione di elettricità da energia termica attualmente inutilizzata nei processi industriali sia di ben 150 TWh all’anno [fonte: TEHAG - Thermal Energy Harvesting Advocacy Group]. Il calore è la principale voce di consumo di energia a livello globale e ogni anno la sua quantità aumenta. Buona parte viene sprecato e non utilizzato in ambito industriale e non solo.
Superconduttività e Termoelettricità Bipolare
Messo a punto in Italia il primo circuito superconduttivo che genera energia elettrica direttamente dal calore: finora prevista dalla teoria, per la prima volta questa tecnologia viene dimostrata sperimentalmente e apre la via a nuove applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche superconduttive, come nuovi sensori, e alla ricerca di nuovi materiali per aumentare l'efficienza energetica.
Il risultato, pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology, si deve all'Istituto di nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano). Il fenomeno dimostrato si chiama termoelettricità bipolare ed è la capacità dei materiali di convertire una differenza di temperatura direttamente in energia elettrica, sotto forma di corrente o di tensione. Era stato previsto dallo stesso gruppo del Cnr che adesso ha realizzato il circuito, coperto da un brevetto.
"Nei metalli superconduttori fino ad ora la termoelettricità era ritenuta trascurabile e solo recentemente si è riusciti a generare fenomeni termoelettrici accoppiando superconduttori ad altri materiali", osserva Francesco Giazotto, di Cnr-Nano, che ha condotto l'esperimento con Gaia Germanese, Federico Paolucci, presso il Laboratorio NEST di Cnr-Nano e Scuola Normale Superiore di Pisa, con il contributo teorico di Alessandro Braggio di Cnr-Nano e Giampiero Marchegiani del Technology Innovation Institute di Abu Dhabi.
"Il dispositivo che abbiamo realizzato - prosegue Giazotto - è in grado di generare una tensione o una corrente elettrica in modo spontaneo, una volta che due superconduttori sono accoppiati con una semplice giunzione sottoposta ad un forte differenza di temperatura". Il cuore del circuito è una giunzione costituita da due metalli superconduttori separati da un materiale isolante. Una volta raffreddato a qualche frazione di grado sopra lo zero assoluto, il circuito è in grado di generare una potenza elettrica, partendo solo dalla differenza di temperatura impostata tra i superconduttori.
Impatto Socio-Economico e Sostenibilità
- S - SOCIAL: 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.
- T - TECHNOLOGICAL: 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.
- E - ECONOMIC: le batterie termiche possono rendere i costi dell’elettricità per il riscaldamento industriale competitivi con le apparecchiature a gas naturale, sostituendo il 75% dell’uso di combustibili fossili nella domanda di energia di materia prima industriale degli Stati Uniti, circa 11.600 petajoule all’anno.
- P - POLITICAL: in Europa, l’approvazione del Net-Zero Industry Act identifica le batterie nel novero delle tecnologie che possono essere supportate tramite progetti strategici.
- S - SUSTAINABILITY: le batterie termiche alimentate da energia rinnovabile potrebbero ridurre circa la metà delle emissioni dell’industria, secondo il rapporto “Opportunities to accelerate decarbonization of industrial heat” del Center for Climate and Energy Solutions, realizzando livelli di efficienza nell’intervallo del 90-98% tra l’energia elettrica e la domanda finale di riscaldamento industriale.
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