Classificazione delle Carnot Batteries

Uno dei sottogruppi più importanti delle batterie di Carnot sono i sistemi PTES (Pumped

Thermal Energy Storage), che possono essere indicati anche con gli acronimi PHES (Pum- ped Heat Energy Storage) e CHEST (Compressed Heat Energy Storage). I sistemi PTES si

dividono in due principali categorie, a seconda del ciclo termodinamico con cui è realizzata la fase di scarica: si parla quindi di sistemi PTES Brayton e sistemi PTES Rankine. Inoltre, in letteratura sono stati proposti ulteriori sistemi con cicli termodinamici alternativi, come il processo Lamm Honigman. Le varie tipologie di sistemi PTES verranno discusse nelle sezioni 2.2.2 2.2.2 2.2.2.

Sistemi PTES con ciclo Brayton

Di seguito si riporta un elenco delle principali configurazioni dei sistemi Brayton PTES: • Pompa di calore a ciclo Brayton inverso con motore Brayton. Questa è la soluzione più

utilizzata, e consiste in un sistema costituito da una pompa di calore - basata su un ciclo Brayton inverso con due fonti di calore sensibili - e da un motore Brayton; questa configurazione presenta quindi in totale due sorgenti termiche e quattro macchine (due compressori e due espansori), ma il sistema può essere realizzato utilizzando anche un solo compressore e un solo espansore. Uno schema semplificativo delle fasi di carica e scarica di un sistema PTES Brayton è mostrato in figura 2.26.

• Ciclo Brayton inverso. Quest’ulteriore configurazione proposta in letteratura [15] pre- vede invece l’utilizzo di una macchina a due pistoni; durante la fase di carica viene trasferito calore dalla sorgente fredda a quella calda tramite la compressione di un gas, mentre nella fase di scarica, grazie alla differenza di pressione che si è creata tra le due sorgenti nell’operazione precedente, si procede con l’espansione del gas. • Riscaldatore elettrico con motore Brayton. In questo caso la differenza di temperatura

tra la sorgente fredda e quella calda viene instaurata grazie alla spesa energetica di un riscaldatore elettrico; la fase di scarica avviene in modo analogo alla prima configurazione. Le efficienze di questo sistema sono basse, intorno al 40-50 %, quindi non è stato preso particolarmente in considerazione.

Figura 2.26: Schema di funzionamento di un sistema PTES Brayton

In tutte le configurazioni proposte, a causa delle irreversibilità presenti nelle fasi di com- pressione ed espansione, è quasi impossibile che le temperature di ingresso/uscita dei cicli di carica/scarica coincidano perfettamente; è stato proposto quindi l’utilizzo di heaters o

coolers per compensare le differenze di temperatura dei due cicli.

Nei sistemi Brayton PTES si utilizzano macchine sia volumetriche che dinamiche: il criterio di scelta si basa sul fatto che le volumetriche hanno una performance globale più scadente ma costi più contenuti, viceversa per le dinamiche.

In generale, facendo riferimento a [16], il range di temperatura con cui lavora un sistema Brayton PTES è compreso tra i 1000 °C (relativi alla sorgente calda) e i -70 °C (relativi alla sorgente fredda), mentre il rapporto di compressione β si aggira intorno a 4-5: con questi valori di pressione e temperatura si ottengono delle efficienze complessive del sistema che si aggirano intorno al 60-70 % (considerando efficienze politropiche delle macchine molto alte, intorno al 90 %). Il fluido più comunemente utilizzato è l’argon perchè permette di ottenere efficienze più alte rispetto al caso con utilizzo di aria. Infatti, è stato dimostrato che l’efficienza del sistema dipende fortemente dal rapporto tra le temperature in gioco ma meno dal rapporto tra le pressioni; l’argon permette di raggiungere temperature più alte - a parità di livello di pressione dell’accumulo - rispetto al caso con l’aria, mantenendo così i costi dell’accumulo limitati e incrementando l’efficienza del sistema.

I sistemi Brayton PTES presentano ottime performance in termini di efficienza solo se il rendimento politropico delle macchine è molto alto. Utilizzando infatti macchine più scadenti l’efficienza del sistema cala bruscamente, arrivando intorno al 30 %, cioè la metà

rispetto al caso di design. Nonostante ciò, questi sistemi sono invece interessanti per gli alti livelli di densità energetica che realizzano nell’accumulo - intorno a 200 kW hth/m3 - e

i bassi costi di stoccaggio, stimati pari a 12-22 €/kWh [15].

Sistemi PTES con ciclo Rankine

L’altro grande sottogruppo delle Carnot batteries è quello formato dai sistemi Rankine PTES, che rappresentano una valida alternativa ai Brayton PTES in quanto riescono a immagazzinare energia nello storage con densità più alta e a temperature più basse; que- st’ultimo aspetto è particolarmente benefico in quanto si riducono le perdite termiche dell’accumulo. Il principio su cui si basano è lo stesso dei sistemi Brayton PTES: durante la fase di carica una pompa di calore o un riscaldatore crea un ∆T tra le due sorgenti (rispettivamente LT e HT), accumulando energia elettrica sotto forma di exergia termica, mentre durante la fase di scarica viene recuperato parte dell’input elettrico grazie a un ciclo Rankine. Uno schema concettuale è mostrato in figura 2.27.

Figura 2.27: Configurazione di un sistema Rankine PTES

Di seguito si riporta un elenco dei principali sistemi Rankine PTES investigati in letteratura:

• Rankine PTES con pompa di calore e ciclo Rankine. Esistono sistemi di questo tipo basati su cicli supercritici o transcritici con CO2: raggiungono efficienze intorno al

53 % con una temperatura dello storage di 153 °C. Per incrementare la performan- ce di questi sistemi si utilizzano anche configurazioni che prevedono due sistemi di accumulo, uno latente e uno sensibile. Inoltre, sono stati pensati sistemi a CO2 im-

se permette di avere efficienze intorno al 40-60 %, porta ad un aumento considerevole dei costi dell’impianto, e sono quindi in corso ulteriori valutazioni. Altre numerose configurazioni sono invece basate su cicli ad acqua, ammoniaca o altri fluidi orga- nici refrigeranti. L’uso dei fluidi appena citati permette di realizzare l’impianto con componenti già ampiamente impiegati nel mondo della climatizzazione, rendendo così possibile la realizzazione di sistemi con taglie dell’ordine del MW; inoltre, per appli- cazioni su ancor più larga scala è possibile pensare a sistemi modulari con pompe di calore e cicli Rankine multipli che lavorano in parallelo.

• Rankine PTES con sistema pompa di calore/ciclo Rankine reversibile. Dal momento che il ciclo inverso della pompa di calore e il ciclo Rankine presentano molti aspetti in comune - come l’uso di macchine volumetriche, l’uso degli stessi refrigeranti e degli stessi scambiatori di calore - su impianti di piccola scala, è lecito pensare un sistema che lavori da pompa di calore in fase di carica e da ciclo Rankine in fase di scarica in maniera reversibile (figura 2.28). È proprio la compattezza di questi sistemi a renderli particolarmente interessanti: sono infatti stati investigati in numerosi studi e per svariate applicazioni, come l’automotive e gli edifici NZB [17].

• Rankine PTES con riscaldatore elettrico e ciclo Rankine. La temperatura dell’accu- mulo in un sistema Rankine PTES con pompa di calore ha delle forti limitazioni: infatti, una temperatura troppo alta determinerebbe un drastico crollo del coefficien- te di prestazione fino a portarlo a valori di circa 1. Potrebbe quindi essere interessante pensare all’utilizzo di una resistenza elettrica o di un riscaldatore rotante per creare il ∆T tra le due sorgenti, rendendo inoltre meno costosa la costruzione dell’impianto. In letteratura sono stati proposti sistemi stand-alone - che suppliscono in maniera auto sufficiente alla richiesta elettrica del riscaldatore - o sistemi integrati con fonti fossili.

The Lamm-Honigmann process

Il processo Lamm-Honigmann è un sistema di accumulo elettro-chimico inventato nel di- ciannovesimo secolo. In generale, l’accumulo viene caricato con energia termica o meccanica e in fase di scarica viene rilasciato calore o lavoro meccanico: quest’ultima operazione è resa possibile dall’utilizzo di una soluzione di acqua e bromuro di litio (o idrossido di sodio), componenti che presentano differenti pressioni di vaporizzazione. Il ∆P che si realizza in fase di evaporazione fa funzionare un espansore grazie al flusso di vapore che si muove dal serbatoio con acqua al serbatoio con la soluzione. La fase di carica si realizza con un flusso termico in ingresso che agevola il desorbimento dell’acqua dalla soluzione. Il vapore d’acqua condenserà poi a temperature più basse, così da recuperare parte di essa e re-immetterla nel ciclo chiuso.

Figura 2.28: Configurazione di un sistema Rankine PTES ibrido [13] Carnot Batteries con integrazione termica

L’efficienza di round trip di una batteria di Carnot, definita come il rapporto tra l’energia elettrica in uscita (nella fase di scarica) e l’energia elettrica in ingresso (durante la fase di carica), arriva tipicamente a valori intorno al 60-70 %. Questo risultato non troppo soddi- sfacente ha spinto diversi progetti di ricerca a domandarsi quali siano i modi per portare l’efficienza di questi sistemi vicino al 100 %: la principale soluzione proposta prevede di recuperare calore - da usare come ulteriore input al sistema - da eventuali cascami termici o scarti industriali. Le due soluzioni proposte sono quelle illustrate in figura 2.29: nell’im- magine di destra la pompa di calore viene utilizzata per portare lo storage in temperatura partendo da un livello termico intermedio Twaste migliorando così il COP e anche il ren-

dimento di primo principio del ciclo ORC; nell’immagine di sinistra invece il ciclo inverso funziona da chiller, cioè viene usato per sottrarre calore dall’ambiente e creare un accumulo più freddo, così da far lavorare il ciclo diretto con un ∆T più grande, incrementandone l’efficienza.

Anche se la tecnica dell’integrazione termica è particolarmente compatibile con le tem- perature dei sistemi a ciclo Rankine, può essere applicata anche nei Brayton PTES e nei sistemi LAES per incrementarne l’efficienza di scarica. Verrà dedicato un ulteriore ap- profondimento ai sistemi con integrazione termica nella prossima sezione 2.2.3, dato che l’impianto oggetto dello studio proposto rientra in questa categoria.

Figura 2.29: Schema delle due principali soluzioni di una batteria di Carnot con integrazione termica

Sistemi LAES

A differenza dei sistemi CAES, che sono costituiti da un accumulo di energia meccanica sotto forma di aria compressa, i sistemi LAES (Liquefied Air Energy Storage) immagazzi- nano energia termica, quindi rientrano propriamente nella categoria delle Carnot batteries. L’aria liquefatta viene prodotta con cicli criogenici (il più tradizionale è il pocesso Linde- Hampson), abbassando la temperatura fino a -196 °C; in fase di scarica viene riscaldata, pompata ed espansa in una turbina per restituire energia elettrica. Dal momento che la densità dell’aria liquida è maggiore di quella dell’aria compressa, i sistemi LAES presentano livelli di densità energetica superiori a quelli dei CAES. Durante la fase di carica il gas vie- ne compresso seguendo una trasformazione isoterma grazie agli inter-refrigeratori presenti, per poi passare in una valvola di laminazione in cui si espande arrivando a liquefazione. La fase di scarica in condizioni criogeniche può invece essere realizzata con quattro metodi diversi: metodo a espansione diretta, metodo con ciclo Rankine, metodo con ciclo Brayton o combinando i metodi appena citati. L’efficienza dei sistemi LAES basati sul ciclo Linde è piuttosto bassa, per questo sono state investigate metodologie alterative - ad esempio quella basata sul ciclo Claude Kapitza - grazie a cui si raggiunge un efficienza di circa il 40 %.

Principali tecnologie di accumulo

Accumulo sensibile I sistemi di accumulo sensibile (STES) immagazzinano energia au-

mentando la temperatura del materiale di cui sono costituiti, che è sempre mono fase (tipicamente o liquido o solido). I materiali utilizzati più frequentemente sono acqua (per sistemi a fase liquida) e rocce (per sistemi a fase solida). L’acqua ha una capacità termica di circa quattro volte superiore a quella delle rocce, il che permette di realizzare serbatoio più piccoli, ma deve essere pressurizzata se le temperature in gioco sono superiori a 100

°C, a differenza delle rocce, che possono facilmente lavorare fino a temperature di 700 °C. Il rendimento ηst può variare da 0.5 a 0.9 a seconda del sistema di coibentazione utilizzato.

L’energia specifica di questi sistemi è stimata essere 10-50 Wth/kg: questo valore basso fa

sì che i volumi di acculo risultino molto grandi.

Accumulo latente Nei i sistemi PTES che utilizzano accumuli latenti (LTES) il ca-

lore è immagazzinato o restituito grazie al cambio di fase - solitamente solido-liquido e liquido-solido - del materiale di cui sono costituiti (PCM). Il cambiamento di fase avvie- ne a temperatura costante, aspetto che contribuisce a stabilire con più facilità quali sono le temperature con cui lavorano gli scambiatori. Gli accumuli LTES presentano densità energetiche superiori rispetto ai STES: si ottengono infatti valori compresi tra i 50 e i 150

Wth/kg, così da ottenere volumi più piccoli. Esistono poi anche tecnologie di accumulo

emergenti che prevedono la combinazione di sistemi STES e LTES.

Confronto Di seguito si riporta una tabella 2.30 di confronto in cui vengono presentati

i tre tipi principali di accumulo (STES, LTES e ibrido) e le loro caratteristiche.

Figura 2.30: Tabella di confronto delle varie tipologie di accumulo [17]