Leghe eutettiche favoriscono lo stoccaggio stagionale dell’energia termica
Per più di due decenni, l’UE è stata all’avanguardia nella diffusione globale delle energie rinnovabili. L’adozione di obiettivi a lungo termine e di misure politiche di supporto ha portato a una forte crescita, da una quota del 9 % nel consumo energetico finale complessivo nel 2005 a una di circa il 20 % entro il 2020. La diffusione delle energie rinnovabili deve tuttavia essere combinata con una qualche forma di stoccaggio dell’energia al fine di gestire le fluttuazioni nella produzione energetica. L’accumulo dell’energia termica può bilanciare il fabbisogno energetico tra giorno e notte, accumulando il calore estivo per il riscaldamento invernale, o il freddo dell’inverno per l’aria condizionata dell’estate. Il concetto dell’accumulo dell’energia termica sembra essere semplice a prima vista, ma un’analisi ulteriore rivela un quadro ben più complesso. Problemi con i materiali a cambiamento di fase (PCM) commerciali «Di recente, le tecniche di accumulo dell’energia termica che sfruttano il calore latente hanno attirato moltissimo l’attenzione perché il loro livello di maturità è prossimo all’utilizzo commerciale per i sistemi che sfruttano l’energia solare», evidenzia il prof. Khamid Mahkamov, che è stato a capo del progetto finanziato dall’UE THERMOSTALL, un’iniziativa della borsa di studio individuale Marie Skłodowska-Curie. Ci sono molte sfide da affrontare prima di poter sfruttare i PCM. Questi materiali accumulano o rilasciano enormi quantità di energia durante il loro cambiamento di fase attraverso l’assorbimento o il rilascio di energia termica, rispettivamente nel corso della fusione o del congelamento. Tra le caratteristiche interessanti ci sono un elevato calore latente di fusione, un’elevata conduttività termica, calore e densità specifici alti e durabilità nei cicli ripetuti. «I sali organici e idrati sono tra i PCM più conosciuti a essere usati nei sistemi a energia solare. Tuttavia, il loro basso coefficiente di conduzione del calore, la bassa densità e, a seconda del caso, la loro instabilità chimica e la tendenza all'eccessivo raffreddamento rappresentano un ostacolo al loro utilizzo diffuso nei sistemi che sfruttano l’energia solare», spiega il prof. Mahkamov. A causa delle proprietà termofisiche inferiori di questi PCM, i sistemi di stoccaggio dell’energia hanno grandi dimensioni e non presentano un’elevata efficienza di carica/scarica. Le leghe eutettiche lasciano il segno nell’accumulo dell’energia termica THERMOSTALL ha trovato un possibile rimedio per questi problemi: le leghe eutettiche metalliche. In altre parole, i ricercatori hanno usato una miscela di leghe a bassa purezza composta da metalli a basso punto di fusione. Le nuove formulazioni PCM erano mirate per l’uso nei sistemi per l’accumulo stagionale dell’energia termica in abitazioni e piccoli edifici commerciali. «Le vantaggiose proprietà delle leghe metalliche a basso punto di fusione le rendono un’opzione ideale in diversi settori, in particolare in quello dell’elettronica. Eppure, questa è la prima volta in cui sono state usate nell’accumulo dell’energia termica», sottolinea il prof. Mahkamov. I materiali eutettici possiedono diverse caratteristiche interessanti: sono stabili, la loro conduzione del calore è due volte superiore rispetto ai PCM tradizionali, mentre la loro capacità di accumulo del calore è tre volte maggiore. Le leghe eutettiche commerciali hanno normalmente una purezza elevata e sono di conseguenza abbastanza costose. Per ridurre al minimo i costi, i ricercatori si sono concentrati su leghe a bassa purezza e i loro campioni sono stati sinterizzati in laboratorio. Hanno sperimentato un’ampia gamma di metalli con punti di fusione che variavano tra 70 e 230 gradi Celsius al fine di identificare le miscele con le proprietà termofisiche più idonee. Usando la calorimetria differenziale a scansione, il team ha determinato i valori del calore latente e di quello specifico delle leghe preparate. «In generale, le leghe eutettiche possono ridurre notevolmente la complessità di progettazione e i costi di fabbricazione dei sistemi di accumulo dell’energia termica», aggiunge il prof. Mahkamov. Il lavoro del progetto ha portato alla progettazione di un prototipo pre-commerciale per l’accumulo stagionale dell’energia termica per abitazioni e piccoli edifici commerciali.
Parole chiave
THERMOSTALL, materiali a cambiamento di fase (PCM), leghe eutettiche, accumulo stagionale dell’energia termica, calore latente, a basso punto di fusione, prototipo