Esplorare i componenti chiave di domani per l’accumulo di calore a temperature estremamente elevate
Nel contesto odierno in cui l’UE si sforza di raggiungere il proprio obiettivo di utilizzare una quantità di fonti rinnovabili pari ad almeno il 27 % del suo consumo energetico finale entro il 2030, lo stoccaggio dell’energia si configura come un argomento caldo. Un tipo di energia rinnovabile che sta ricevendo un’attenzione particolare è il solare a concentrazione (CSP, concentrated solar power), soprattutto nel quadro della tabella di marcia integrata del piano strategico SET per le tecnologie energetiche. Il CSP produce elettricità concentrando i raggi solari per riscaldare una sostanza, solitamente un liquido o un gas, che viene poi impiegata come mezzo in un processo a motore termico (una turbina a vapore o a gas) per attivare un generatore elettrico. «Una maniera economica di stoccare questa fonte di energia rinnovabile variabile è convertirla in calore, immagazzinarla e convertirla in elettricità in base alla domanda», osserva Alejandro Datas, coordinatore scientifico di AMADEUS. Questo progetto di ricerca, finanziato dall’UE, ha approfondito lo stoccaggio e la conversione di energia a temperature estremamente elevate.
Sostenere l’energia solare
La maggior parte dei sistemi di accumulo termico stoccano energia in una miscela di sali fusi o diverse tipologie di particelle solide a temperature non superiori a circa 560 °C e si avvalgono di motori termici per riconvertire questo calore in elettricità. Questo tipo di tecnologia è ampiamente utilizzata negli impianti CSP, che in Europa sono attualmente diffusi solamente in Spagna. Inoltre, essa è impiegata nelle batterie termiche elettriche più innovative o nelle soluzioni intese allo stoccaggio power-to-heat-to-power (PHPS) per applicazioni destinate allo stoccaggio dell’energia elettrica integrata nella rete. Tuttavia, secondo Datas, docente assistente di elettronica e fisica applicata presso il Politecnico di Madrid (UPM), gli attuali sistemi di accumulo termico presentano alcuni problemi. Essi richiedono grandi quantità di materiali per immagazzinare una quantità significativa di energia, ovvero circa un metro cubico di sali fusi per stoccare 100 kWh. Inoltre, questi sitemi sono molto complessi a causa della necessità di trasferire e convertire l’energia termica in elettricità, un’operazione che richiede l’impiego di fluidi di trasmissione del calore e parti mobili (ad esempio pompe, valvole, un motore termico, ecc.) e che comporta gravi problematiche per quanto concerne la manutenzione.
Andare oltre il silicio
Il silicio è potenzialmente utilizzabile per lo stoccaggio energetico in quanto è in grado di immagazzinare grandi quantità di energia (all’incirca 1 200 kWh per metro cubico) nel corso della sua transizione di fase da stato solido a stato liquido, che si verifica a 1 414 °C. Nota come «calore latente», questa forma di energia «nascosta» viene fornita o estratta esclusivamente durante il cambiamento di stato del silicio. «Il silicio ha delle limitazioni, e in particolare quella per cui si espande del 10 % nel corso della solidificazione. AMADEUS è pertanto andato alla ricerca di materiali e dispositivi di nuova generazione che consentissero non solo un accumulo termico più sicuro ed energeticamente più denso, ma anche una conversione dell’energia termica in energia elettrica maggiormente efficiente. Tutto ciò senza utilizzare fluidi di trasmissione del calore o parti mobili», afferma Datas. Il progetto ha scoperto una lega eutettica di ferro, silicio e boro che potrebbe configurarsi come un nuovo materiale a cambiamento di fase (PCM, phase change material) ideale. «Questa lega è caratterizzata da un elevato calore latente, il che incrementa la densità energetica del sistema. Essa si espande pochissimo durante la solidificazione, evitando il rischio di rompere il contenitore ed è inoltre dotata di un punto di fusione moderato, al di sotto dei 1 200 °C», aggiunge Datas. «Abbiamo anche aperto la strada a una tecnologia radicalmente nuova per la conversione dell’energia termica in energia elettrica, attraverso un prototipo di laboratorio funzionante di un nuovo tipo di dispositivo ibrido fotovoltaico-termoionico, noto come TIPV (thermionic-photovoltaic)», afferma. Producendo elettricità a partire da elettroni e fotoni, esso converte direttamente il calore ad alta temperatura in potenze molto alte. Datas conclude: «Potremmo disporre di prototipi industriali funzionanti per questa tecnologia entro il 2022, da utilizzare nel campo dell’accumulo termico a calore latente (LHTES, latent heat thermal energy storage), ma sarà necessario un sostegno a livello normativo e finanziario in tal senso».
Parole chiave
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