I materiali PCM: che cosa sono e come accumulano il calore

I materiali PCM sono materiali in grado di accumulare notevoli quantità di calore latente sfruttando il fenomeno del passaggio di fase, che avviene a una temperatura costante. Per la caratteristica unica che possiedono di immagazzinare calore mentre cambiano di stato, questi materiali vengono chiamati nel mondo anglosassone Phase Change Materials (da qui l’acronimo PCM con cui sono conosciuti), o materiali a cambiamento di fase. 

In questo articolo scopriremo insieme le caratteristiche del cambiamento di fase di questi materiali e la loro suddivisione in tre principali categorie sulla base dell’intervallo di temperatura in cui tale passaggio si verifica. 

 Ma prima, per comprenderne meglio la natura e l’impiego, rivediamo brevemente le principali differenze dei materiali PCM rispetto ai tradizionali sistemi di accumulo di calore.

Differenze tra i materiali PCM e i sistemi di accumulo tradizionale

Mentre nei sistemi tradizionali di accumulo del calore i materiali impiegati subiscono una variazione di temperatura, nell’accumulo termico a cambiamento di fase il calore latente viene assorbito/rilasciato durante le trasformazioni di fase del materiale utilizzato. Questo permette di immagazzinare e rilasciare energia in volumi ridotti, mantenendo al minimo le variazioni di temperatura e le dispersioni che ne conseguono. 

Ne abbiamo parlato anche nell’articolo “Guida completa alle batterie termiche: come funzionano e quali vantaggi offrono”, dove si è introdotta la distinzione tra sistemi di accumulo a calore sensibile - quelli tradizionalmente usati - e sistemi di accumulo a calore latente – mediante materiali PCM. 

I primi accumulano il calore usando materiali come l’acqua, la sabbia, la roccia, il cemento e, a parità di energia accumulata, presentano una densità energetica inferiore con lo svantaggio frequente di occupare grandi spazi. Inoltre, questi materiali vanno incontro a una maggiore dispersione termica poiché rilasciando calore riscontrano un abbassamento continuo della temperatura, che corrisponde a un degrado dell’energia utile (exergia) fornita all’utenza.

I sistemi ad accumulo di calore latente tramite materiali PCM, a fronte di costi più alti, risolvono queste problematiche alla base: possiedono una densità energetica anche notevolmente maggiore in volumi di accumulo più contenuti.

Come si classificano i materiali PCM

I cambiamenti di fase dei materiali PCM

Nel precedente articolo “I materiali PCM: una soluzione innovativa per il recupero del calore” abbiamo iniziato a spiegare il funzionamento di questi materiali elencando i vantaggi oggettivi che la loro applicazione garantisce in termini di accumulo/recupero termico. Passiamo ora ad approfondire le caratteristiche tecniche dei materiali PCM, che se da un lato sono sempre più impiegati nel settore energetico, risultano ancora poco conosciuti nelle loro specificità.

Come abbiamo visto, un sistema di accumulo termico latente (LHTES, latent heat thermal energy storage) utilizza principalmente il calore assorbito o rilasciato da un materiale PCM durante il cambio di fase dello stesso. I materiali PCM vengono classificati in base a tre principali cambiamenti di fase:

1. transizioni da solido a solido
2. transizioni da liquido a vapore e viceversa
3. transizioni da solido a liquido e viceversa 

I sistemi solido-solido mostrano una minore transizione di fase e di conseguenza valori inferiori di calore latente. Il passaggio di fase da liquido a vapore ha i valori più alti di calore latente, ma presenta una notevole variazione di volume tra le due fasi. Il passaggio di fase di un materiale PCM tra solido e liquido, e viceversa, è il più utilizzato. Infatti, garantisce un grado elevato di calore latente senza che si verifichino variazioni di volume durante il cambiamento di fase. In virtù del range di temperatura adeguato e della relativa facilità di integrazione che questo sistema offre, è diffuso soprattutto nelle applicazioni di accumulo termico nelle apparecchiature e in ambito edilizio. 

I principali gruppi di materiali PCM per intervallo di temperatura

Per quanto riguarda la classificazione, i materiali PCM possono essere ulteriormente suddivisi in tre categorie principali in base all'intervallo di temperatura in cui avviene il cambiamento di fase. Nello specifico, si distinguono: 

• PCM a bassa temperatura, in cui il cambiamento di fase si verifica al di sotto dei 15°C. Le applicazioni tipiche di questi materiali includono lo stoccaggio del freddo per il condizionamento dell'aria e la refrigerazione. 
• PCM a media temperatura in cui il cambiamento di fase si verifica tra 15°C - 90°C. Sono ampiamente diffusi per l'accumulo di acqua calda, l'uso passivo negli edifici e il raffreddamento elettronico. 
• PCM a temperature elevate in cui il cambiamento di fase si verifica a temperature superiori a 90°C. Sono utilizzati principalmente in contesti industriali, impianti solari per la produzione di energia e applicazioni aerospaziali. 

A questo proposito facciamo una piccola anticipazione: i-TES utilizza esclusivamente materiali PCM organici nell’intervallo 1-80°C, e spiegheremo alcuni dei motivi di questa scelta nel prossimo articolo, in cui ci occuperemo di entrare nel merito dei tipi di materiali PCM esistenti sul mercato.

Criticità dei materiali PCM e soluzioni

A conclusione della prima parte di approfondimento sui materiali PCM, va sottolineata l’importanza di operare con una expertise solida e certificata nel mondo TES (Thermal energy storage). Per quanto si tratti di sistemi innovativi per accumulare calore in modo efficiente e sostenibile, i PCM non sono esenti da criticità, tuttavia facilmente risolvibili se trattate correttamente. Alcuni PCM organici, per esempio, hanno una bassa conducibilità termica; altri PCM risultano infiammabili e corrosivi. Per prevenire l’insorgere di queste problematiche, è sufficiente utilizzare materiali appropriati sia per il contenimento che per l’aumento di scambio termico . 

Scopri di più sulla batteria termica PCM di i-TES per capire come queste soluzioni vengono implementate tenendo conto delle sfide e dei vantaggi associati ai materiali PCM. La batteria termica i-TES impiega i materiali PCM sfruttandone il potenziale, mitigando alcuni problemi comuni legati alla conduttività termica attraverso un design innovativo, volumi ridotti e prestazioni elevate.