Finora è stata una sfida immagazzinare l'energia che generiamo quando splende il sole e soffia il vento. Ma i ricercatori di un laboratorio di Trondheim in Norvegia sono riusciti a fare proprio questo, e del tutto senza alcuna forma di tecnologia avanzata per le batterie.

Dall'esterno si presenta come un contenitore color argento con una piccola finestra rotonda tagliata nella parte laterale e diversi tubi che entrano ed escono. Il calore viene prima assorbito nel sistema e poi, dopo un po', viene rilasciato nuovamente.

Questo "contenitore" permette di immagazzinare l'energia termica generata nelle giornate soleggiate e ventose e di rilasciarla nuovamente quando il clima si fa più freddo. La tecnologia che guida il sistema si basa sui cosiddetti "materiali a cambiamento di fase" (PCM) in combinazione con le pompe di calore.

In effetti, la fonte di energia può essere qualsiasi cosa, dall'elettricità generata dai pannelli solari, dal calore di scarto da una fabbrica o dall'energia in eccesso da una turbina eolica. Qui, presso il laboratorio ZEB (Zero Emission Building) gestito da SINTEF e NTNU, l'energia per l'accumulo proviene dai pannelli solari che ricoprono la maggior parte del tetto dell'edificio e la facciata esposta a sud.

L'acqua è il materiale a cambiamento di fase più comune al mondo

Ma cos'è un materiale a cambiamento di fase? Alexis Sevault è un Research Manager presso SINTEF Energy Research ed è più che felice di fornire spiegazioni.

In effetti, l'acqua è un materiale a cambiamento di fase nella sua forma più semplice e familiare. Può trasformarsi in cristalli di ghiaccio quando la temperatura scende al di sotto di zero gradi Celsius, diventare un liquido all'aumentare della temperatura e trasformarsi in vapore quando si avvicina ai 100 gradi. L'acqua ha anche la capacità di comportarsi in modo diverso nelle sue diverse fasi e, soprattutto, può immagazzinare calore nella sua forma liquida.

Gli scienziati danno il nome di materiali a cambiamento di fase, o PCM, a materiali che si comportano in modo diverso nelle loro diverse fasi e che possono anche immagazzinare calore.

Esistono molti PCM che possono immagazzinare calore quando sono nella loro forma liquida. Ciò che rende questi materiali interessanti e, non ultimo, pratici in questo contesto è che i loro punti di fusione non sono zero gradi.

Punto di fusione:37 gradi Celsius

Questa proprietà consente di utilizzare i PCM come cosiddetti "banche di calore". In altre parole, come batterie. Il grande contenitore color argento nel laboratorio ZEB contiene un PCM che fonde a temperatura corporea.

"Il dispositivo contiene tre tonnellate di cera biologica liquida a base di un olio vegetale che non può essere utilizzato come cibo", afferma Sevault. "Nello stesso modo in cui l'acqua si trasforma in ghiaccio, la cera diventa un materiale solido e cristallino quando diventa sufficientemente fredda. 'Freddo' per questa particolare cera significa sotto i 37 gradi", dice, e aggiunge:

"Ma ci sono altri tipi di cera biologica che hanno diversi punti di fusione, e tutti offrono opportunità per molte applicazioni simili".

Molecole intelligenti

Se esaminiamo in dettaglio la biocera, scopriamo che è composta da molecole che si comportano in modo molto economico in termini di calore.

Per risparmiare energia, le molecole si dispongono molto vicine tra loro quando la biocera è nella sua fase solida. Si raggruppano vicini l'uno all'altro e rimangono relativamente immobili, non diversamente da uno stormo di pinguini freddi su un lastrone di ghiaccio.

Quando il materiale si scioglie, i legami che tengono insieme le molecole si allentano e iniziano a muoversi con quella che chiamiamo energia cinetica. Man mano che viene fornito più calore dall'ambiente circostante, le molecole diventano più eccitate. Infine, vengono liberati dai loro legami e possono vibrare liberamente e indipendentemente. Quando ciò accade, la biocera ha cambiato fase ed è diventata un liquido.

Ed è vero il contrario. Quando la cera cambia da liquido a solido, le molecole rilasciano gran parte della loro energia cinetica nell'ambiente circostante. Smettono di vibrare e ricominciano a raggrupparsi per risparmiare energia. La cera ritorna quindi a un solido.

Bio-based e senza manutenzione

Questo è il fenomeno che i ricercatori stanno sfruttando nel contenitore d'argento. L'energia raccolta dai pannelli solari esterni dell'edificio viene condotta tramite una pompa di calore nella grande "batteria", ed è qui che le molecole di biocera sono libere di danzare a loro piacimento, piene della loro energia liquida.

Quando arriva il momento di estrarre l'energia, all'acqua liquida viene assegnato il compito di "pratico vettore energetico". Innanzitutto, l'acqua fredda viene inviata attraverso il sistema di accumulo di calore. Dopo poco, l'acqua ora riscaldata viene rilasciata dal dispositivo e diretta ai radiatori e al sistema di ventilazione, fornendo aria riscaldata all'edificio.

Un sistema efficace e funzionale

Questa tecnologia è ormai in uso come parte del sistema di riscaldamento del Laboratorio ZEB da più di un anno.

"Il sistema di accumulo di calore basato su PCM offre esattamente le prestazioni che ci aspettavamo", afferma Alexis Sevault. "Stiamo utilizzando il più possibile l'energia solare autoprodotta dall'edificio. Stiamo anche scoprendo che il sistema è molto adatto per la cosiddetta 'rasatura di picco'", afferma.

"Caricando la batteria biologica prima delle ore più fredde della giornata, impediamo all'edificio di consumare preziosa elettricità dalla rete nei momenti in cui anche il resto di Trondheim sta registrando una forte domanda", afferma Sevault. "Questo ci offre un livello di flessibilità che può essere utilizzato anche per sfruttare le fluttuazioni del prezzo spot. Possiamo caricare la nostra batteria quando abbiamo accesso all'energia del sole, del vento e del calore disperso ed estrarre la produzione quando il prezzo dell'elettricità è elevato ," lui spiega.

Inoltre, il primo anno di attività ha fornito grandi volumi di dati che i ricercatori utilizzeranno ora per ottimizzare sia la progettazione che il funzionamento del sistema in modo da poter estrarre la maggior quantità possibile di output.

Più adatto per applicazioni industriali

Il sistema è quindi molto meno sofisticato di una batteria tradizionale, ma non è adatto a tutti gli edifici. Essendo una nuova tecnologia, i costi di investimento rimangono elevati. Lo svantaggio è che un tale sistema non funzionerà per tutti. Almeno non al momento.

"Questo sistema sarà l'ideale per gli edifici industriali e per uffici e nei quartieri in cui il calore può essere distribuito", afferma Sevault. "La parte migliore è che la tecnologia è praticamente esente da manutenzione. Durerà per almeno 25 anni", afferma.

I ricercatori stanno anche lavorando per sviluppare sistemi di controllo intelligenti con l'obiettivo di ottimizzare la produzione. Ciò consentirà al sistema nel suo insieme di rispondere e di essere regolato in base alle esigenze dell'ambiente circostante. Ciò significa in pratica che il modo in cui viene utilizzato il sistema può essere guidato da fattori quali le previsioni meteorologiche e le fluttuazioni del prezzo dell'energia elettrica. Questa ricerca è condotta da SINTEF in collaborazione con NTNU. Insieme a molte altre divisioni di ricerca all'interno di NTNU e SINTEF, i ricercatori hanno istituito un Centro Gemini chiamato Thermal Energy Storage.

Uno spin-off SINTEF

I ricercatori che hanno sviluppato la "bio-batteria", o sistema di accumulo di calore PCM, come lo chiamano gli esperti, stanno ora fondando un'azienda con l'obiettivo di commercializzare la tecnologia. Ciò sta accadendo in collaborazione con la divisione interna di supporto per le start-up di SINTEF, SINTEF TTO.

"Prevediamo che dopo diversi mesi di test presso il laboratorio ZEB, possiamo avviare in sicurezza il concetto nel suo viaggio verso la commercializzazione", afferma Sevault. "Abbiamo anche stabilito contatti con molti utenti finali interessati all'installazione di un sistema pilota nel 2023 o 2024. Molte di queste sono aziende industriali che hanno le risorse per ampliare il concetto", afferma. + Esplora ulteriormente

Comprensione dei materiali a cambiamento di fase per l'accumulo di energia termica