Guida alle batterie termiche: come funzionano e quali vantaggi offrono

Batterie termiche: come funzionano e quali vantaggi offrono

Le batterie termiche, anche detti accumulatori termici, rappresentano un'innovativa tecnologia nel panorama energetico moderno dal momento che si profilano come una soluzione promettente per le sfide – sempre più complesse – della produzione e dello stoccaggio di energia. Negli ultimi decenni l’incremento del fabbisogno energetico, unito alla sempre più urgente necessità di contenere le emissioni di CO2, ha determinato un ricorso crescente alle tecnologie volte al risparmio energetico e, in generale, alla produzione di energia da fonti rinnovabili. In questo contesto, le soluzioni per l’accumulo di energia termica, o batterie termiche, stanno riscontrando particolare interesse per le loro caratteristiche di versatilità, fattibilità economica e possibilità di integrazione con impianti di produzione di energia già esistenti, spaziando dal settore industriale a quello civile e residenziale, oltre che alla realizzazione ex novo.

In questa guida faremo una panoramica sulle tipologie di batterie termiche esistenti, ne esploreremo il funzionamento ed elencheremo i vantaggi più significativi che offrono.

Cos'è una batteria termica?

Possiamo definire una batteria termica come un sistema di stoccaggio di energia proveniente da un sorgente che la genera (ad esempio una pompa di calore) per un uso successivo. Il calore accumulato – anche detto accumulo termico o di energia termica (dall’inglese TES, Thermal Energy Storage) – può essere recuperato all’occorrenza e rilasciato nuovamente quando l’utenza lo richiede per far fronte a una serie di esigenze energetiche.

Come funzionano le batterie termiche?

Le batterie termiche sfruttano il principio fisico del cambio di stato per immagazzinare energia sotto forma di calore. Quando l'energia è disponibile, viene trasferita nella batteria, innescando il cambiamento di fase del materiale PCM (Phase Change Material) che è in grado, in questo modo, di trattenere il calore per lungo tempo (diverse ore o addirittura giorni) con bassi livelli di dissipazione.

Quando è necessario recuperare l'energia, il calore precedentemente accumulato viene utilizzato per riscaldare un fluido termovettore, generalmente acqua, che a sua volta restituisce il calore all’utenza.

Attraverso i sistemi di stoccaggio dell’energia termica, dunque, il calore viene trasferito al mezzo di accumulo durante il periodo di carica, viene conservato e quando necessario rilasciato, durante il cosiddetto processo di scarica.

Le tipologie di batterie termiche

Nel panorama odierno esistono tre principali tipologie di tecnologie che possono essere utilizzate per l'accumulo di energia termica, e sono:

• l'accumulo di calore sensibile
• l'accumulo di calore latente
• l'accumulo termochimico

Partiamo dal primo. L'accumulo di energia termica sensibile è una delle opzioni più diffuse per ridurre il consumo energetico e abbassare le emissioni di CO2. Questa tecnologia utilizza l’acqua, o materiali solidi (es. sabbia, roccia, cemento) come mezzo per immagazzinare e riutilizzare energia termica. I sistemi di accumulo con acqua rappresentano la tecnologia maggiormente diffusa per il suo basso costo, ma a causa della sua bassa densità energetica, a parità di energia accumulata, occupa grandi spazi. Richiede, inoltre, se per uso sanitario, una manutenzione regolare e continua degli impianti per evitare il sorgere della legionella. Inoltre, questo tipo di accumulo termico è il meno efficiente perché risente di una maggior dispersione termica e soprattutto il rilascio di calore corrisponde ad un degrado dell’energia utile (exergia) fornita all’utenza dovuta all’abbassamento continuo della temperatura, proprio del calore sensibile.

Abbiamo poi i sistemi di accumulo di calore latente, che accumulano energia senza alterare la temperatura del materiale, ma andando a modificarne lo stato. Questo processo è reso possibile dai cosiddetti materiali a cambiamento di fase o PCM (Phase Change Materials), che hanno la specificità di immagazzinare nella loro massa, energia sotto forma di calore latente nel momento in cui passano da uno stato fisico all’altro. Questi materiali in passato sono stati utilizzati principalmente nell’edilizia e per le applicazioni solari, dal momento che funzionano accumulando e immagazzinando il calore in eccesso, ma trovano sempre più interesse in sostituzione degli accumuli ad acqua dato che hanno una densità energetica da tre a cinque volte maggiore dell’acqua (volumi di accumulo più contenuti) ed eliminano alla base il problema della legionella (non contengono acqua). 

Infine, i sistemi di accumulo termochimico si basano su reazioni chimiche che consentono di immagazzinare l’energia termica sotto forma di energia chimica: oltre a presentare un’elevata densità di accumulo e ad un effetto di dispersione di calore nel tempo pressoché nulla, sono idonei per applicazioni di lunga durata.

Vantaggi delle batterie termiche

La scelta di un sistema di accumulo di calore piuttosto che di un altro dipende principalmente da fattori quali il periodo di stoccaggio richiesto, la fattibilità economica, le condizioni operative e i vincoli ambientali. Questo sarà un tema che approfondiremo prossimamente. Per il momento basti sapere che i vantaggi dei principali sistemi di accumulo termico, o batterie termiche, sono numerosi e diversi:

1. Efficienza energetica: Le batterie termiche offrono un'elevata efficienza energetica, in quanto possono immagazzinare grandi quantità di energia con perdite minime durante il processo di stoccaggio e recupero, oltre al mantenimento della temperatura costante durante la fase di scarica. 
2. Flessibilità: Queste batterie possono essere integrate facilmente con impianti fotovoltaici, pompe di calore, cogenerazione e altre fonti di energia rinnovabile, consentendo una maggiore flessibilità nell'utilizzo delle risorse energetiche disponibili.
3. Lunga durata: le batterie termiche non subiscono deterioramento nel tempo e hanno una durata superiore ai 20 anni, riducendo così i costi di manutenzione e sostituzione a lungo termine.
4. Scalabilità: Le batterie termiche possono essere dimensionate su misura per soddisfare le esigenze specifiche di un determinato impianto o sistema energetico, rendendole altamente scalabili e adatte a una vasta gamma di applicazioni.
5. Sostenibilità: Utilizzando materiali ecocompatibili e sfruttando fonti di energia rinnovabile per caricare le batterie, questo sistema contribuisce a ridurre le emissioni di gas serra e l'impatto ambientale complessivo dell'energia.
6. Affidabilità: Grazie alla loro robustezza e alla minima manutenzione richiesta, le batterie termiche offrono un'elevata affidabilità operativa, riducendo al minimo i tempi di fermo impianto e garantendo un'energia costante e stabile.

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Il presente ed il futuro delle batterie termiche

Le batterie termiche rappresentano una soluzione innovativa e promettente per l'accumulo di energia, offrendo numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie convenzionali. Con la crescente domanda di energia sostenibile e la necessità di affrontare i problemi legati alla intermittenza delle fonti rinnovabili, queste batterie giocheranno un ruolo fondamentale nel plasmare il futuro del settore energetico e della transizione 5.0. Esplorando il loro funzionamento e i loro vantaggi, emerge il loro potenziale significativo nel migliorare l'efficienza, la flessibilità e la sostenibilità dei sistemi energetici moderni.

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