La necessità di togliere il gas alle case è aumentata dal conflitto in Ucraina. Una batteria termica con acqua e sale come componenti semplici potrebbe fornire una soluzione rapida e su larga scala per oltre tre milioni di famiglie nei Paesi Bassi, il doppio dell'obiettivo fissato dal governo olandese. Questa batteria di calore, sviluppata da un consorzio di Eindhoven University of Technology, TNO, spin-off Cellcius e partner industriali, è economica, compatta, senza perdite e ora pronta per i primi test nel mondo reale.

Con l'accumulo di calore nelle case e sfruttando la grande quantità di calore di scarto industriale che altrimenti verrebbe buttato via, questa batteria è un potenziale punto di svolta per la transizione energetica. Ecco quattro motivi per ricaricarsi per l'arrivo di questa batteria innovativa.

1. La base della batteria è sorprendentemente semplice

Un semplice esperimento rivela immediatamente l'essenza della batteria di calore. Riempi una bottiglietta di sale bianco in grani, aggiungi un po' d'acqua e inizia a sfrigolare. Inoltre, come per magia, la bottiglia si sente istantaneamente incredibilmente calda. Olaf Adan ha dimostrato l'esperimento innumerevoli volte, sorprendendo spettatori più e più volte.

Adan, professore di TU/e ​​e ricercatore principale al TNO, è al centro della batteria termica di Eindhoven, che ruota essenzialmente attorno a un principio termochimico relativamente vecchio:la reazione di un idrato di sale con il vapore acqueo. "I cristalli di sale assorbono l'acqua, diventano più grandi e, nel processo, rilasciano calore", afferma Adan. Da qui la bottiglia a riscaldamento rapido.

Ma è anche possibile il contrario. "Aggiungendo calore, si fa evaporare l'acqua e sostanzialmente si 'asciuga' il sale, riducendo così le dimensioni dei cristalli di sale", spiega Adan. Finché l'acqua non arriva a questa polvere di sale secca, il calore viene sempre immagazzinato al suo interno. Quindi, a differenza di altri tipi di accumulatori di calore, non si perde nulla:la batteria è completamente esente da perdite.

Puoi ripetere questo processo all'infinito, in un modo o nell'altro, fornendo così la base per una batteria di calore in grado di immagazzinare calore e usarlo in un secondo momento e in un luogo diverso. Questa è una soluzione per la fornitura fluttuante di energia rinnovabile nelle case e negli edifici e per il riutilizzo opportuno del "calore di scarto" in un altro luogo.

Sebbene il principio della batteria possa essere semplice, applicarlo in una batteria non lo è certamente. Testimone il fatto che Adan ha lavorato su questo per oltre 12 anni. Ad esempio, la scelta del materiale salino specifico non è scontata. Ci sono migliaia di reazioni conosciute degli idrati di sale con l'acqua. Adan li ha studiati tutti in grande dettaglio, scoprendo infine che solo un numero molto limitato ha le giuste proprietà per l'uso in una batteria.

"Un cristallo di sale come quello diventa sempre più piccolo, il calore entra ed esce continuamente. Quindi succede qualcosa a una tale particella. Di conseguenza, può disintegrarsi rapidamente o aggregarsi ad altre particelle. Quindi hai bisogno di un materiale che tu può continuare a utilizzare ciclicamente", afferma Adan. Alla fine, lui e il suo team hanno optato per il carbonato di potassio come base, un sale facilmente estraibile che si trova in molti prodotti, come cibo, sapone o vetro.

Allora hai anche bisogno di un dispositivo che sfrutti appieno il potenziale di questo materiale. Se deve stare in una casa, deve essere compatto e preferibilmente anche conveniente e altamente efficiente. "Quindi inizi a guardare tutti i tipi di concetti di reattore, come nel vuoto o con aria aperta, ma senza successo fino ad oggi", afferma Adan.

Alla fine, Adan è arrivato al cosiddetto sistema a circuito chiuso, un dimostratore di cui ha costruito nel 2019. Questo sistema di ricircolo è costituito da componenti tra cui uno scambiatore di calore, una ventola, un evaporatore/condensatore e una caldaia con particelle di sale. A 7 kWh, la cosa era ancora piuttosto minima:in teoria, questo poteva fornire il riscaldamento per una tipica famiglia di quattro persone per due giorni.

"Sembrava ancora piuttosto semplice, con una tecnologia esistente e matura, ma ci ha permesso di dimostrare che il nostro concetto, semplice com'era, ha funzionato". Prove che hanno permesso ad Adan all'interno del consorzio europeo HEAT-INSYDE (tra cui TU/e, TNO, Caldic e partiti provenienti da Francia, Belgio, Polonia e Svizzera) di vincere un sussidio europeo di sette milioni di euro per un ulteriore sviluppo. Il team si è quindi messo al lavoro per "aggiornare" il dimostratore a un prototipo pronto per l'uso pratico. Ora è stato raggiunto.

2. La tecnologia è ottimizzata per l'uso nel mondo reale

In termini di dimensioni, il prototipo ora realizzato è probabilmente paragonabile al dimostratore, ma è qui che finiscono le somiglianze visibili. Il prototipo si presenta come una sorta di grande armadio con dozzine di armadietti, con tutti i tipi di cavi sciolti che sporgono lateralmente.

Sorprendentemente, ogni coppia di piccoli "armadietti" rappresenta una batteria di calore che corrisponde all'intero dimostratore originale in termini di capacità di stoccaggio. L'intero dispositivo contiene circa 30 "armadietti", con una capacità di stoccaggio totale di oltre 200 kWh. Adan lo mette in prospettiva:"È equivalente a due Tesla completamente cariche".

"Abbiamo ottimizzato la versione precedente in innumerevoli modi", spiega con orgoglio Adan. "Abbiamo riprogettato i singoli componenti, come l'evaporatore e lo scambiatore di calore, abbiamo sfruttato meglio lo spazio e utilizzato altri materiali". Nel frattempo, l'unità include anche un sistema di misurazione e controllo, ad esempio, in modo da sapere quando caricare e quanto calore è rimasto nel sistema.

La maggior parte delle applicazioni non richiede una batteria così grande. Ecco perché abbiamo scelto deliberatamente quelle piccole unità multiple che puoi combinare a piacimento; un sistema modulare, in altre parole. "Se hai un grande contenitore di sale, devi iniziare a usarlo tutto in una volta. È davvero inefficiente", afferma Adan. Quindi puoi usare 'bit' della batteria, separati dal resto.

Inoltre, le unità separate offrono ogni tipo di possibilità di design, rendendo possibili forme e dimensioni diverse, a seconda della situazione pratica desiderata. Adan parla di un prototipo user-oriented. "Non è ancora un prodotto, ma ora è tutto pronto per essere testato per la prima volta in una situazione reale."

E quei test inizieranno entro la fine dell'anno, con i primi piloti della batteria di calore nelle case. Verrà installata una batteria da circa 70 kWh, sufficiente per durare qualche giorno senza sole né vento, in quattro case, due a Eindhoven, una in Polonia e una in Francia.

Anche se sono "solo" quattro case, Adan si aspetta che "impareranno moltissimo da questo". Ad esempio, i test forniranno input preziosi su cos'altro è necessario in pratica per applicare la batteria su larga scala e su cosa ne pensa l'utente. Ad esempio, dovrebbe esserci un'app per far funzionare la batteria?

3. Il trasporto di calore è fondamentale nella transizione energetica

L'idea che ha dato il via a tutto è stata la batteria di calore come supporto di accumulo nelle case. Nel frattempo, tuttavia, il consorzio sta valutando anche l'accumulo di calore negli edifici per uffici, l'orticoltura in serra o, ad esempio, autobus elettrici o navi di lusso.

Ma, si sono resi conto, se questa batteria termica può immagazzinare calore senza perdite, può anche essere trasportata senza perdite. Dopotutto, non succede nient'altro al sale secco finché non viene aggiunta acqua. È proprio qui che la batteria termica potrebbe fare la differenza, perché altre forme di trasporto del calore, come attraverso tubi o transizioni di fase, aumentano sempre le perdite.

Il consorzio concentra quindi la propria attenzione anche sul calore residuo industriale come fonte di calore, una sorta di "spreco di calore", come quello generato come sottoprodotto nelle fabbriche o il calore in eccesso dai data center. Questo caldo non è più così "caldo"; a temperature inferiori a 150 gradi Celsius non ha valore per la maggior parte del settore.

Per le case, invece, un tale calore è molto utile. Tali temperature sono più che sufficienti per riscaldare la casa o fare una doccia calda. Se il calore residuo industriale potesse essere utilizzato per riscaldare le case, si avrebbe una situazione vantaggiosa per tutti:le case potrebbero essere rese indipendenti dal gas, un'esigenza ancora più urgente data la dipendenza dal gas (russo) e dalla CO₂ le emissioni sarebbero ridotte.

Adan fa un rapido calcolo. "Nei Paesi Bassi abbiamo circa 150 PetaJoule (un numero con 15 zeri) di calore residuo dall'industria all'anno. Ciò consentirebbe di togliere quasi 3,5 milioni di case dal gas, che è più del doppio dell'obiettivo del governo olandese, ovvero 1,5 milioni di case senza gas entro il 2030."

Se sovrapponi le posizioni delle fonti di calore residuo industriale e delle case su una mappa dei Paesi Bassi, Adan afferma che la corrispondenza è ragionevolmente buona. Non ci sono più di 30 chilometri tra loro.

Tuttavia, è ancora troppo per le reti termiche, il metodo su cui il governo si sta ora concentrando. "Le griglie di calore utilizzano tubi con acqua, che si raffredda e quindi limita il raggio d'azione", spiega Adan. "Inoltre, le reti di riscaldamento comportano un forte rischio di investimento e l'intero paesaggio deve essere sfondato per costruirle, non è un'opzione interessante."

Con un consorzio che include Cellcius (ne parleremo tra poco), Ennatuurlijk, Demcon, SiTech, TNO, Brightside e SABIC, Adan sta quindi preparando una prova di prova nel mondo reale per utilizzare la batteria di calore per il riutilizzo del calore residuo industriale. Il calore residuo del Chemelot Campus di Sittard-Geleen sarà trasportato in una cinquantina di case del quartiere nello stesso comune.

Adan:"Con una stazione di ricarica di calore presso SABIC raccogliamo calore ed essicchiamo il sale. Portiamo poi questo sale su camion fino a una sorta di 'casa del trasformatore' nella zona residenziale, da dove le cinquanta case vengono alimentate con il calore tramite tubi. Quindi non dobbiamo essere nelle case stesse."

E sì, l'uso dei camion non è rispettoso del clima, ma Adan può rassicurare tutti. "Le emissioni derivanti da questo sono trascurabili rispetto alle emissioni che risparmiamo con questo trasporto di calore. Inoltre, vogliamo passare presto ai camion elettrici."

Il pilota inizierà nel corso del prossimo anno, quando i primi camion carichi di "energia" potranno mettersi in strada.

4. Il passaggio alla valorizzazione rafforza lo sviluppo

Ora che la tecnologia sta per essere introdotta nella società, sono stati presi provvedimenti anche sul lato organizzativo e finanziario. Ad esempio, lo spin-off Cellcius, il primo spin-off combinato di TNO e TU/e, è stato fondato alla fine del 2020. "La società è stata formalmente fondata l'11 dell'11, come dovrebbe essere nel Brabante", ride Adan, in un cenno alla data del tradizionale inizio di Carnevale.

La giovane azienda è ancora piccola, con cinque persone al momento. Ma Adan si aspetta che entro la fine dell'anno siano cresciute fino a raggiungere da 10 a 15 persone. "Inoltre, da Eindhoven Engine, stiamo convincendo molti studenti di tutti i tipi di studi a collaborare su vari aspetti."

Dalla sovvenzione europea a sette cifre, sono stati assicurati anche molti finanziamenti aggiuntivi per consentire la realizzazione del prossimo progetto pilota residenziale. E grazie ai recenti investimenti della Brabant Development Corporation, dell'Innovation Industries e del GoeieGrutten Impact Fund, sono stati apportati gli ultimi ritocchi al quadro finanziario per il pilota del trasporto di calore.

Ora che Adan, attraverso Cellcius, non è più coinvolto solo come ricercatore ma ha anche un piede nella valorizzazione, vede come questa interazione abbia un effetto amplificante sulla tecnologia. "Perché ora stai davvero lavorando su un prodotto, che a sua volta genera nuove domande per il lavoro di base, la tecnologia. Questo è un meraviglioso esempio di co-creazione e di come ti consente di accelerare quel ciclo."

Nonostante la grande promessa della tecnologia che ha a sua disposizione, Adan rimane con i piedi per terra. "Sebbene il potenziale sia grande, abbiamo anche visto molte grandi potenziali tecnologie che non ce l'hanno fatta. Quindi terremo i piedi per terra e faremo questo un passo alla volta. Ci sono solo per uno cosa:è bello poter contribuire alla transizione energetica".