Sale e acqua: fattori abilitanti per l’accumulo di energia termica ad alta densità
L’energia del sole è rinnovabile praticamente all’infinito e non ha barriere geopolitiche di accesso. Attualmente, i sistemi solari attivi residenziali in commercio per il riscaldamento, il raffreddamento e l’acqua calda sanitaria includono un serbatoio per l’accumulo a breve termine del calore. Il serbatoio può immagazzinare calore per alcune ore, prolungando brevemente il funzionamento in caso di nuvolosità o quando cala la notte. Tuttavia, non è adatto alle zone con minore irraggiamento solare durante l’anno, tra cui l’Europa centrale e settentrionale, o al clima che diventa sempre più piovoso anche in regioni storicamente soleggiate. Per sbloccare il pieno potenziale dell’energia solare, è necessario implementare uno stoccaggio stagionale dell’energia termica (STES, seasonal thermal energy storage). Il progetto SWS-HEATING, finanziato dall’UE, ha sviluppato un sistema STES innovativo ed economico in grado di immagazzinare calore per mesi. Il progetto sosterrà l’adozione diffusa di sistemi solari attivi per uso residenziale in qualsiasi parte del mondo, indipendentemente dalle condizioni meteorologiche e climatiche.
Sorbenti selettivi per l’acqua da impiegare nei sistemi STES
Secondo Sotirios Karellas, coordinatore del progetto e docente presso il Laboratorio di caldaie a vapore e impianti termici dell’ Università tecnica nazionale di Atene: «Un semplice concetto di STES in fase di sviluppo si basa su serbatoi d’acqua sotterranei di grande capacità, ma gli alti costi di produzione e gli ampi spazi necessari ne limitano l’applicazione, in particolare per il fabbisogno energetico residenziale. Il calore latente e l’accumulo stagionale di energia elettrochimica sono agli inizi e devono affrontare sfide legate alla stabilità e ai costi.» SWS-HEATING si è concentrato sui sorbenti selettivi per l’acqua (SWS, selective water sorbent), che utilizzano un sale inorganico impregnato in una matrice ospite porosa per intrappolare (adsorbire) le molecole d’acqua. Per adattare le proprietà alle varie applicazioni, è possibile utilizzare molte matrici ospite e diversi sali. Inoltre, gli SWS presentano diversi vantaggi rispetto ad altri sorbenti: minima perdita di calore che risulta perfetta per applicazioni di stoccaggio a lungo termine (stagionali), elevata densità di stoccaggio del calore e produzione a basso costo.
Un nuovo SWS e uno scambiatore di calore a piastra singola
«SWS-HEATING ha sviluppato un nuovo materiale SWS con una densità di stoccaggio che, nei test di laboratorio, è risultata superiore di oltre il 20 % rispetto ai materiali SWS esistenti. Non si è degradato e non ha perso capacità di adsorbimento dopo 1 000 cicli di test di invecchiamento in condizioni di lavoro più severe di quelle reali», osserva Karellas. Uno scambiatore di calore (HEX, heat exchanger) a piastra singola per il materiale SWS progettato da SWS-HEATING può essere utilizzato sia come adsorbitore/desorbitore che come evaporatore/condensatore. Questa meraviglia tecnologica ridurrà significativamente i costi, poiché verrà prodotto un solo tipo di HEX, montato in modo diverso per ogni applicazione. In particolare, «lo HEX adsorbitore/desorbitore SWS ha un volume di adsorbente quasi tre volte superiore rispetto al volume del fluido di trasferimento del calore (2,73 in confronto a 1,1-1,4 per gli HEX commerciali). Ciò significa che c’è molto più adsorbente per intrappolare le molecole d’acqua, migliorando la densità di stoccaggio e le prestazioni», aggiunge Karellas.
Energia solare residenziale tutto l’anno, ovunque nel mondo
«Degno di nota è che la proficua collaborazione tra i membri del consorzio e i responsabili del progetto della Commissione europea ci ha permesso di superare le sfide legate alla disponibilità e ai costi dei materiali e dei fornitori e le quarantene dovute alla pandemia di COVID-19», osserva Karellas. Nonostante le difficoltà, il progetto è riuscito a ideare e realizzare con successo il prototipo SWS-HEATING completo di SWS, HEX e sistema di controllo intelligente, consentendo di effettuare la prova del concetto. «La nostra tecnologia STES, con una perdita di calore minima, può coprire fino al 60 % del fabbisogno energetico annuale di un edificio residenziale e consentirà di sfruttare l’energia solare in regioni caratterizzate da una disponibilità limitata di irraggiamento in inverno. Potrebbe rappresentare una svolta per il settore residenziale, consentendo riduzioni significative dei costi energetici e delle emissioni, nonché supportando la politica energetica e l’indipendenza dell’UE», conclude Karellas.
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