Le potenzialità e le innovazioni europee nell'ambito dell'accumulo termochimico in edifici residenziali e terziari
di Andrea Frazzica
Nonostante le varie azioni intraprese a livello comunitario negli ultimi anni, tuttora il settore del riscaldamento e raffrescamento degli edifici copre, da solo, circa il 45% di consumo di energia primaria in Europa (circa 2500 TWh/anno). Considerando che la produzione è principalmente basata su fonti fossili, anche le relative emissioni di anidride carbonica del settore risultano particolarmente impattanti [1]. L’elettrificazione del settore del riscaldamento e raffrescamento è al momento uno dei principali approcci proposti per una profonda decarbonizzazione degli edifici. Infatti, alcune stime sul possibile impatto di un vasto impiego di pompe di calore nel settore residenziale prevedono la possibilità di arrivare ad un consumo di energia elettrica pari a 840 TWh/anno [2]. Al fine di garantire una penetrazione diffusa di tale tecnologia si deve però prevedere un supporto adeguato di sistemi di accumulo, specialmente nel caso di accoppiamento con impianti di generazione da fonte rinnovabili distribuiti.
Accanto all’impiego di sistemi di accumulo elettrico, l’utilizzo di sistemi di accumulo termico può essere considerato come asset fondamentale per incrementare la flessibilità operativa degli impianti e ridurne il costo complessivo. Il mercato dei sistemi di accumulo termico residenziale è dominato dalla tecnologia sensibile, impiegante acqua come mezzo di accumulo. Il successo di tale tecnologia è facilmente riconducibile al costo ridotto, il limitato impatto ambientale e la discreta densità di energia ottenibile. Ciononostante, nel caso in cui si voglia accumulare una grande quantità di energia o si voglia garantire la capacità di mantenere l’energia accumulata per lunghi periodi, la tecnologia sensibile risulta meno competitiva. La tecnologia che negli ultimi anni è stata proposta per sopperire ai limiti tecnologici sopra descritti è quella relativa alle cosiddette batterie termochimiche. Il processo fisico sul quale si fonda il loro funzionamento è legato allo sfruttamento di una reazione fisico-chimica reversibile fra un fluido di lavoro (solitamente acqua o ammoniaca) ed un materiale reattivo, che può essere o un solido o una soluzione liquida. Durante la fase di carica, il calore serve a separare i due componenti. Fintanto che essi vengono mantenuti separati, l’energia si mantiene accumulata senza dispersioni verso l’ambiente. Quando risulta necessario fornire energia all’utente, i due componenti vengono fatti reagire nuovamente, rilasciando il calore accumulato [3].
Se si rappresentasse un sistema di accumulo termochimico su un diagramma Ragone, sui cui assi sono indicate la densità energetica e la densità di potenza, come mostrato in Figura 1, si potrebbe notare che si tratta di sistemi con una notevole potenzialità, anche in confronto ai sistemi di accumulo di energia elettrica, soprattutto in termini di densità energetica.
Nel passato, tale tecnologia è stata proposta e sviluppata principalmente nell’ottica dell’accumulo stagionale. Ovvero, sfruttando la capacità di mantenere l’energia accumulata per lungo periodo, se ne proponeva l’impiego per convertire l’abbondante radiazione solare disponibile in estate in calore, accumularlo fino alla stagione invernale, e quindi sopperire alla richiesta di riscaldamento. Seppur tale opzione risulti tuttora di grande interesse tecnologico, gli elevati costi e volumi necessari per coprire una percentuale di riscaldamento invernale rilevante ne hanno precluso una diffusione commerciale.
Recentemente, la commissione Europea sta supportando diversi programmi di ricerca per lo sviluppo di batterie termochimiche da interfacciare con la rete elettrica e gli impianti rinnovabili distribuiti, per incrementare la flessibilità operativa su base settimanale e non più stagionale. Questo approccio consente di sfruttare le caratteristiche positive della tecnologia, pur mantenendo costi e volumi del sistema contenuti e quindi raggiungere in tempi più rapidi la commercializzazione. Un esempio, è la batteria termochimica sviluppata nel progetto Heat-Insyde, recentemente presentata in un articolo su Rinnovabili.it. Questo prodotto, in fase di validazione, ha già consentito l’avvio di uno spin-off accademico che ambisce a commercializzare la soluzione tecnologica sviluppata.
Sulla medesima tematica, a Gennaio 2023 sono stati avviati due nuovi progetti di ricerca e sviluppo, finanziati nell’ambito del programma Horizon Europe, che mirano allo sviluppo di soluzioni innovative di accumulo termico per applicazione in edifici residenziali e terziari. Entrambi i progetti, denominati THUMBS UP e HYSTORE, prevedono il coinvolgimento dell’Istituto di Tecnologie Avanzate per l’Energia del CNR e della società tedesca Sorption Technologies GmbH specificamente nell’ambito dell’ottimizzazione delle soluzioni di accumulo termochimico. THUMBS UP sarà dedicato allo sviluppo di materiali compositi adsorbenti a base di sali inorganici, in grado di massimizzare la densità di accumulo settimanale, sia per applicazioni di riscaldamento che di raffrescamento.
Uno dei target principali è quello di ottimizzare l’integrazione della batteria termochimica con pompe di calore reversibili, al fine di rendere le condizioni operative del sistema più flessibili. Da un punto di vista tecnico, ci si prefigge il raggiungimento di una densità di accumulo pari a 100 kWh/m3, notevolmente superiore agli attuali prototipi sviluppati in precedenti progetti. Inoltre, al fine di rendere la soluzione commercializzabile in tempi rapidi a valle del progetto, si considera un target di costo massimo pari a 200 €/kWh.
Nel caso del progetto HYSTORE, il focus principale è dedicato al design del sistema di accumulo ed alla sua integrazione con tecnologie efficienti di conversione di energia elettrica in termica per la fase di carica del sistema. In particolare, si investigherà l’impiego di soluzioni a microonde e radiofrequenze, che possano minimizzare le dispersioni termiche in fase di carica del reattore ed aumentare la temperatura, ottimizzando l’impiego di materiali adsorbenti commerciali a basso costo, quali le zeoliti sintetiche. Anche in questo caso, i target di densità energetica e di costo sono simili ai precedenti, risultando in linea con il modello di business previsto a valle del progetto. In più, verranno valutate le possibili interazioni dei sistemi di accumulo termico come asset per la fornitura di servizi a supporto della rete elettrica, in termini di stabilità di frequenza e di voltaggio, che vengono in genere associati solo a sistemi di accumulo elettrico.
Entrambi i progetti avranno una durata di 4 anni, suddivisi in una prima fase, di circa 2 anni e mezzo, dedicata allo sviluppo tecnologico ed al test in laboratorio delle diverse configurazioni sviluppate ed una seconda fase orientata all’installazione ed alla validazione delle soluzioni in siti dimostrativi reali, in edifici residenziali e terziari in Spagna ed Irlanda. Buona parte delle attività riguarderanno, inoltre, lo studio dell’impatto che tali tecnologie avranno sulla diffusione degli impianti a fonte rinnovabile e sulla loro interazione con le reti di distribuzione elettrica e di teleriscaldamento.
Riferimenti
[1] Nijs W., et al, EU challenges of reducing fossil fuel use in buildings, EUR 30922 EN, Publications Office of the European Union, 2021
[2] Thomaßen G, et al. The decarbonisation of the EU heating sector through electrification: A parametric analysis. Energy Policy. 2021 Jan 1;148:111929
[3] https://www.youtube.com/watch?v=2DGldaPbVe8
