L'arte dell'accumulo termico: Sfruttare l'energia per un futuro sostenibile

In un'era definita da crescenti richieste energetiche e pressanti preoccupazioni ambientali, la ricerca di soluzioni energetiche sostenibili non è mai stata così critica. Tra le varie strategie in fase di esplorazione, l'accumulo di energia termica (TES) si distingue come una tecnologia promettente con il potenziale di rivoluzionare il modo in cui gestiamo e utilizziamo l'energia. Questa guida completa approfondisce i principi, le tecnologie, le applicazioni e i vantaggi del TES, offrendo una prospettiva globale sul suo ruolo nella costruzione di un futuro più sostenibile.

Cos'è l'accumulo di energia termica (TES)?

L'accumulo di energia termica (TES) è una tecnologia che consente di immagazzinare energia termica (caldo o freddo) per un uso successivo. Colma il divario tra l'offerta e la domanda di energia, permettendo di immagazzinare energia durante i periodi di bassa domanda o alta disponibilità (ad esempio, dall'energia solare durante il giorno) e di rilasciarla quando la domanda è alta o la disponibilità è bassa. Questo disaccoppiamento temporale può migliorare significativamente l'efficienza energetica, ridurre i costi e favorire l'integrazione delle fonti di energia rinnovabile.

Fondamentalmente, i sistemi TES funzionano trasferendo l'energia termica a un mezzo di accumulo. Questo mezzo può essere una varietà di materiali, tra cui acqua, ghiaccio, rocce, suolo o materiali specializzati a cambiamento di fase (PCM). La scelta del mezzo di accumulo dipende dall'applicazione specifica, dall'intervallo di temperatura e dalla durata dell'accumulo.

Tipi di tecnologie di accumulo di energia termica

Le tecnologie TES possono essere classificate in generale in base al mezzo e al metodo di accumulo utilizzati:

Accumulo di calore sensibile

L'accumulo di calore sensibile consiste nell'immagazzinare energia aumentando o diminuendo la temperatura di un mezzo di accumulo senza cambiarne la fase. La quantità di energia immagazzinata è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura e alla capacità termica specifica del materiale di accumulo. I materiali comuni per l'accumulo di calore sensibile includono:

Acqua: Ampiamente utilizzata per la sua elevata capacità termica specifica e disponibilità. Adatta sia per applicazioni di riscaldamento che di raffreddamento. Esempi includono l'accumulo di acqua calda per uso domestico e l'accumulo di acqua refrigerata per il teleraffrescamento.
Rocce/Suolo: Economici per l'accumulo su larga scala. Spesso utilizzati nei sistemi di accumulo di energia termica sotterranea (UTES).
Oli: Utilizzati in applicazioni ad alta temperatura, come negli impianti a concentrazione solare (CSP).

Accumulo di calore latente

L'accumulo di calore latente utilizza il calore assorbito o rilasciato durante un cambiamento di fase (ad es. fusione, congelamento, ebollizione, condensazione) per immagazzinare energia. Questo metodo offre una densità di accumulo di energia più elevata rispetto all'accumulo di calore sensibile, poiché una quantità significativa di energia viene assorbita o rilasciata a una temperatura costante durante la transizione di fase. I materiali più comuni utilizzati per l'accumulo di calore latente sono i Materiali a Cambiamento di Fase (PCM).

Materiali a Cambiamento di Fase (PCM): I PCM sono sostanze che assorbono o rilasciano calore quando cambiano fase. Esempi includono:

Ghiaccio: Comunemente usato per applicazioni di raffreddamento, specialmente nei sistemi di condizionamento dell'aria. I sistemi di accumulo di ghiaccio congelano l'acqua durante le ore non di punta e la sciolgono durante le ore di punta per fornire raffreddamento.
Sali Idrati: Offrono una gamma di temperature di fusione e sono adatti per varie applicazioni di riscaldamento e raffreddamento.
Paraffine: PCM organici con buone proprietà termiche e stabilità.
Miscele Eutettiche: Miscele di due o più sostanze che fondono o congelano a una temperatura costante, fornendo una temperatura di cambiamento di fase personalizzata.

Accumulo termochimico

L'accumulo termochimico consiste nell'immagazzinare energia attraverso reazioni chimiche reversibili. Questo metodo offre la più alta densità di accumulo di energia e il potenziale per un accumulo a lungo termine con perdite energetiche minime. Tuttavia, le tecnologie di accumulo termochimico sono generalmente più complesse e costose rispetto all'accumulo di calore sensibile e latente.

Esempi di materiali per l'accumulo termochimico includono idruri metallici, ossidi metallici e sali chimici.

Applicazioni dell'accumulo di energia termica

Le tecnologie TES trovano applicazione in una vasta gamma di settori, tra cui:

Riscaldamento e raffreddamento degli edifici

I sistemi TES possono essere integrati nei sistemi HVAC degli edifici per migliorare l'efficienza energetica e ridurre la domanda di picco. Esempi includono:

Climatizzazione con accumulo di ghiaccio: Congelare l'acqua in ghiaccio durante le ore non di punta (ad es. di notte quando i prezzi dell'elettricità sono più bassi) e sciogliere il ghiaccio durante le ore di punta (ad es. durante il giorno quando la domanda di raffreddamento è alta) per fornire raffreddamento. Ciò riduce il carico sulla rete elettrica e abbassa i costi energetici. Ampiamente utilizzato in edifici commerciali, come uffici, ospedali e centri commerciali, a livello globale. Esempio: un grande complesso di uffici a Tokyo, in Giappone, utilizza l'accumulo di ghiaccio per ridurre il consumo di elettricità di picco durante i caldi mesi estivi.
Accumulo di acqua refrigerata: Immagazzinare acqua refrigerata prodotta durante le ore non di punta per utilizzarla durante i periodi di picco di raffreddamento. È simile all'accumulo di ghiaccio ma senza il cambiamento di fase.
Accumulo di acqua calda: Immagazzinare acqua calda prodotta da collettori solari termici o altre fonti di calore per un uso successivo nel riscaldamento degli ambienti o nella fornitura di acqua calda sanitaria. Comunemente utilizzato in edifici residenziali e sistemi di teleriscaldamento. Esempio: i sistemi solari per acqua calda con serbatoi di accumulo termico sono prevalenti nei paesi mediterranei come la Grecia e la Spagna, dove l'irraggiamento solare è elevato.
Materiali da costruzione potenziati con PCM: Incorporare i PCM nei materiali da costruzione, come pareti, tetti e pavimenti, per migliorare l'inerzia termica e ridurre le fluttuazioni di temperatura. Ciò migliora il comfort termico e riduce i carichi di riscaldamento e raffreddamento. Esempio: i pannelli in cartongesso potenziati con PCM vengono utilizzati negli edifici in Germania per migliorare le prestazioni termiche e ridurre il consumo energetico.

Teleriscaldamento e teleraffrescamento

Il TES svolge un ruolo cruciale nei sistemi di teleriscaldamento e teleraffrescamento (DHC), che forniscono servizi centralizzati di riscaldamento e raffreddamento a più edifici o intere comunità. Il TES consente ai sistemi DHC di operare in modo più efficiente, integrare fonti di energia rinnovabile e ridurre la domanda di picco. Esempi includono:

Accumulo termico sotterraneo (UTES): Immagazzinare energia termica in falde acquifere sotterranee o formazioni geologiche. L'UTES può essere utilizzato per l'accumulo stagionale di caldo o freddo, consentendo la cattura del calore in eccesso durante i mesi estivi e il suo rilascio durante i mesi invernali, o viceversa. Esempio: la Drake Landing Solar Community a Okotoks, in Canada, utilizza l'accumulo di energia termica in pozzi (BTES) per fornire riscaldamento degli ambienti per tutto l'anno utilizzando l'energia solare termica.
Serbatoi d'acqua su larga scala: Utilizzare grandi serbatoi d'acqua isolati per immagazzinare acqua calda o refrigerata per le reti di teleriscaldamento o teleraffrescamento. Esempio: molti paesi scandinavi, come la Danimarca e la Svezia, utilizzano serbatoi di accumulo di acqua calda su larga scala nei loro sistemi di teleriscaldamento per immagazzinare il calore in eccesso proveniente da impianti di cogenerazione (CHP) e processi industriali.

Riscaldamento e raffreddamento dei processi industriali

Il TES può essere utilizzato per migliorare l'efficienza dei processi industriali che richiedono riscaldamento o raffreddamento. Esempi includono:

Recupero del calore di scarto: Catturare il calore di scarto dai processi industriali e immagazzinarlo per un uso successivo in altri processi o per il riscaldamento degli ambienti. Esempio: un impianto siderurgico in Corea del Sud utilizza un sistema di accumulo termico per catturare il calore di scarto dai suoi forni e utilizzarlo per preriscaldare i materiali, riducendo il consumo energetico e le emissioni.
Peak Shaving (riduzione dei picchi): Immagazzinare energia termica durante le ore non di punta e utilizzarla durante le ore di punta per ridurre la domanda e i costi dell'elettricità. Esempio: un impianto di trasformazione alimentare in Australia utilizza un sistema di accumulo di ghiaccio per ridurre la domanda di elettricità di picco per la refrigerazione.

Integrazione delle energie rinnovabili

Il TES è essenziale per integrare fonti di energia rinnovabile intermittenti, come l'energia solare ed eolica, nella rete energetica. Il TES può immagazzinare l'energia in eccesso generata durante i periodi di alta produzione di energia rinnovabile e rilasciarla quando la produzione è bassa, garantendo un approvvigionamento energetico più affidabile e stabile. Esempi includono:

Impianti a concentrazione solare (CSP): Utilizzare sali fusi o altri materiali di accumulo ad alta temperatura per immagazzinare l'energia termica generata dai collettori solari. Ciò consente agli impianti CSP di generare elettricità anche quando il sole non splende. Esempio: l'impianto solare Noor Ouarzazate in Marocco utilizza l'accumulo termico a sali fusi per fornire elettricità 24 ore al giorno.
Accumulo di energia eolica: Utilizzare il TES per immagazzinare l'elettricità in eccesso generata dalle turbine eoliche. Questa energia può quindi essere utilizzata per riscaldare acqua o aria, o convertita nuovamente in elettricità utilizzando un motore termico. Esempio: diversi progetti di ricerca stanno esplorando l'uso del TES in combinazione con le turbine eoliche in Germania e Danimarca.

Vantaggi dell'accumulo di energia termica

L'adozione delle tecnologie TES offre una moltitudine di vantaggi, che abbracciano dimensioni economiche, ambientali e sociali:

Riduzione dei costi energetici: Spostando il consumo di energia dalle ore di punta a quelle non di punta, il TES può ridurre significativamente i costi energetici, specialmente nelle regioni con tariffe elettriche basate sull'orario di utilizzo.
Miglioramento dell'efficienza energetica: Il TES ottimizza l'uso dell'energia catturando e immagazzinando il calore di scarto o l'energia in eccesso, minimizzando le perdite energetiche e massimizzando l'utilizzo delle risorse disponibili.
Maggiore stabilità della rete: Il TES aiuta a stabilizzare la rete elettrica fornendo un cuscinetto tra l'offerta e la domanda di energia, riducendo la necessità di centrali di picco e minimizzando il rischio di blackout.
Integrazione delle energie rinnovabili: Il TES facilita l'integrazione di fonti di energia rinnovabile intermittenti, come l'energia solare ed eolica, immagazzinando l'energia in eccesso e rilasciandola quando necessario, garantendo un approvvigionamento energetico più affidabile e sostenibile.
Riduzione delle emissioni di gas serra: Migliorando l'efficienza energetica e consentendo l'integrazione delle energie rinnovabili, il TES contribuisce a ridurre le emissioni di gas serra e a mitigare il cambiamento climatico.
Aumento della sicurezza energetica: Il TES migliora la sicurezza energetica riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e diversificando le fonti energetiche.
Spostamento del carico di picco: Il TES sposta la domanda di picco di elettricità riducendo lo stress sulla rete.

Sfide e opportunità

Nonostante i suoi numerosi vantaggi, l'adozione diffusa delle tecnologie TES deve affrontare diverse sfide:

Costi iniziali elevati: I costi di investimento iniziali per i sistemi TES possono essere relativamente alti, il che può rappresentare una barriera per alcune applicazioni.
Requisiti di spazio: I sistemi TES, specialmente i serbatoi di accumulo su larga scala o i sistemi UTES, richiedono uno spazio significativo.
Degrado delle prestazioni: Alcuni materiali TES, come i PCM, possono subire un degrado delle prestazioni nel tempo a causa dei ripetuti cambiamenti di fase.
Perdite termiche: Le perdite di calore dai serbatoi di accumulo e dalle tubazioni possono ridurre l'efficienza complessiva dei sistemi TES.

Tuttavia, ci sono anche significative opportunità per un ulteriore sviluppo e implementazione delle tecnologie TES:

Progressi tecnologici: Gli sforzi continui di ricerca e sviluppo si concentrano sul miglioramento delle prestazioni, sulla riduzione dei costi e sull'estensione della durata dei materiali e dei sistemi TES.
Sostegno politico: Le politiche e gli incentivi governativi, come crediti d'imposta, sussidi e regolamenti, possono svolgere un ruolo cruciale nel promuovere l'adozione delle tecnologie TES.
Modernizzazione della rete: La modernizzazione della rete elettrica, compresa l'implementazione di reti intelligenti e infrastrutture di misurazione avanzate, può facilitare l'integrazione del TES e di altre risorse energetiche distribuite.
Maggiore consapevolezza: Aumentare la consapevolezza tra i consumatori, le imprese e i responsabili politici sui vantaggi del TES può stimolare la domanda e accelerarne l'adozione.

Esempi globali di implementazione dell'accumulo di energia termica

Le tecnologie TES vengono implementate in vari paesi e regioni del mondo, mostrando la loro versatilità e adattabilità.

Danimarca: La Danimarca è leader nel teleriscaldamento, con un uso estensivo di serbatoi di accumulo di acqua calda su larga scala per integrare le fonti di energia rinnovabile e migliorare l'efficienza del sistema. Molte città utilizzano l'acqua di mare per l'accumulo termico.
Germania: La Germania sta attivamente ricercando e sviluppando materiali da costruzione potenziati con PCM per migliorare l'efficienza energetica e ridurre i carichi di riscaldamento e raffreddamento.
Canada: La Drake Landing Solar Community a Okotoks, in Canada, dimostra l'efficacia dell'accumulo di energia termica in pozzi (BTES) per l'accumulo stagionale di energia solare termica.
Marocco: L'impianto solare Noor Ouarzazate in Marocco utilizza l'accumulo termico a sali fusi per fornire elettricità 24 ore al giorno.
Giappone: Il Giappone ha ampiamente adottato sistemi di climatizzazione con accumulo di ghiaccio negli edifici commerciali per ridurre la domanda di elettricità di picco.
Stati Uniti: Molte università e ospedali negli Stati Uniti utilizzano l'accumulo di acqua refrigerata per ridurre il consumo di elettricità di picco per il raffreddamento.
Australia: Alcuni impianti di trasformazione alimentare e data center in Australia utilizzano l'accumulo termico per ridurre la domanda di elettricità di picco per la refrigerazione e il raffreddamento.
Cina: La Cina sta attivamente implementando sistemi UTES e materiali da costruzione potenziati con PCM per far fronte alla crescente domanda di energia e migliorare la qualità dell'aria.

Il futuro dell'accumulo di energia termica

L'accumulo di energia termica è destinato a svolgere un ruolo sempre più importante nel panorama energetico globale. Mentre la domanda di energia continua a crescere e la necessità di soluzioni energetiche sostenibili diventa più urgente, il TES offre un percorso convincente per migliorare l'efficienza energetica, ridurre i costi e integrare le fonti di energia rinnovabile. Gli sforzi continui di ricerca e sviluppo si concentrano sul miglioramento delle prestazioni, sulla riduzione dei costi e sull'ampliamento delle applicazioni delle tecnologie TES. Con la continua innovazione e il sostegno politico, il TES ha il potenziale per trasformare il modo in cui gestiamo e utilizziamo l'energia, aprendo la strada a un futuro più sostenibile e resiliente.

Conclusione

L'arte dell'accumulo termico risiede nella sua capacità di colmare il divario tra l'offerta e la domanda di energia, offrendo uno strumento potente per migliorare l'efficienza energetica, integrare le fonti di energia rinnovabile e ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili. Dal riscaldamento e raffreddamento degli edifici ai sistemi energetici distrettuali e ai processi industriali, le tecnologie TES stanno trasformando il modo in cui gestiamo e utilizziamo l'energia in una vasta gamma di settori. Mentre ci muoviamo verso un futuro più sostenibile, l'accumulo di energia termica svolgerà senza dubbio un ruolo fondamentale nel plasmare un sistema energetico più pulito, più resiliente e più efficiente per le generazioni a venire. Abbracciare il TES non è solo un'opzione; è una necessità per un pianeta sostenibile.