Nel campo dell’efficienza energetica e della sostenibilità ambientale è sempre più importante la ricerca di sistemi per accumulare l’energia prodotta da fonti rinnovabili, come quella fotovoltaica o eolica, così da separare la produzione di energia (non programmabile) dal suo futuro utilizzo. A questo scopo gli accumulatori termici rappresentano una delle tecnologie più promettenti, proprio per la loro capacità di immagazzinare l’energia sotto forma di calore. Inoltre l’energia può essere accumulata durante i periodi di scarsa domanda o quando l’energia è più economica, per poi renderla disponibile nei periodi di alta richiesta o costo.
La capacità di accumulare energia da parte di un materiale si basa sulla proprietà del calore specifico, che in termodinamica è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di 1 g di sostanza. Conoscendo il calore specifico c di un certo materiale, la sua massa m e la variazione di temperatura ΔT a cui è sottoposto è possibile ricavare la quantità di calore Q rilasciato (oppure, come nel nostro caso, assorbito) tramite la relazione Q = mcΔT. Data la linearità della relazione, cioè che Q aumenta all’aumentare di m, c e ΔT, una grande quantità di materiale con un alto calore specifico può immagazzinare una grande quantità di calore anche solo con una piccola variazione di temperatura. Un esempio di materiale ad alto calore specifico è l’acqua (4,19 J/g °C), che è infatti la sostanza più comune più utilizzata negli impianti di accumulazione.
A seconda della modalità di immagazzinare il calore, gli accumulatori si possono classificare in sensibili, latenti o termochimici.
- I primi sono i più semplici e comuni anche in ambito domestico, immagazzinando direttamente energia termica con materiali ad alto calore specifico come l’acqua o il calcestruzzo.
- Quelli latenti, invece, sono impiegati quando la sostanza è coinvolta da un passaggio di fase, durante il quale aumenta la capacità di accumulazione. Miscele di sali fusi come il “sale solare” (60% nitrato di sodio e 40% nitrato di potassio) sono spesso utilizzate per la loro elevata capacità di assorbimento e rilascio di energia durante il passaggio da solido a liquido o viceversa.
- Composti chimici più complessi, come il cloruro di calcio, sono utilizzati negli accumulatori termochimici, in cui il calore è assorbito o rilasciato a seguito di specifiche reazioni chimiche.
Un’ulteriore classificazione è possibile se ci si basa sulle temperature e sulle finalità di questi sistemi. Fino ai 150°C (accumulatori a bassa temperatura) l’acqua accumula energia termica in serbatoi coibentati ad uso civile, come acqua calda per il riscaldamento negli edifici. Fino a oltre i 1000°C (accumulatori a medio-alta temperatura) operano i sistemi utilizzati nei processi industriali in centrali per la produzione di energia elettrica.
La ricerca e lo sviluppo in questo settore è portata avanti da enti internazionali, come l’IEA (International Energy Agency), e italiani, come l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA), ed è di interesse centrale nell’ambito della transizione energetica. Sistemi di accumulo termico sempre più avanzati saranno fondamentali per ottimizzare l’uso delle risorse energetiche, riducendo i picchi di consumo e abbassando i costi.
Fonti: Liberatore R, Mongibello L, “Tecnologie e sistemi per l’accumulo termico” (doi 10.12910/EAI2020-049)
Attività didattica
Proponi una sfida ai tuoi alunni a chi costruisce il miglior recipiente per l’accumulo termico dell’acqua. Fai qualche ricerca e con un po’ di ingegno, costruisci un recipiente chiuso con i materiali che ritieni migliori per non disperdere il calore. Una volta preparati tutti gli accumulatori, riempiteli con la stessa quantità d’acqua alla stessa temperatura (es. 50°C) e chiudeteli. Dopo un tempo stabilito (es. 15 minuti), apriteli e misurate la temperatura dell’acqua. Vince chi ha costruito quello in cui la temperatura dell’acqua è diminuita di meno.