CAPITOLO 1 – Impianti solari termodinamici
2.1 CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI DI ACCUMULO
Una prima classificazione dei sistemi di accumulo è legata alle tempistiche che essi sono in grado di garantire: possono essere di lungo o di breve periodo. In genere gli accumuli di lungo periodo hanno lo scopo di accumulare energia per periodi che vanno da alcuni mesi ad intere stagioni.
Nonostante in questa tesi vengano presi in considerazione in modo dettagliato solamente accumuli di breve periodo, viene di seguito presentata una breve classificazione anche dei sistemi di accumulo di lungo periodo anche detti stagionali.
I. Accumuli a lungo periodo (stagionali)
In letteratura non esiste una classificazione univoca di questa tipologia di accumuli. Per questo nella seguente classificazione (schematizzata nella Figura
2.2), si sono presi come riferimento gli autori K. Edem Tsoukpoe, Hui Liu del
lavoro [14]:
gli accumuli latenti basati sul fenomeno della fissazione o cattura di un gas o vapore da parte di una sostanza allo stato condensato, (sorption). In particolare le due modalità di sorption sono:
- l’ adsorption (adsorbimento), cioè il fissaggio di un componente in fase gassosa alla superficie di un'altra sostanza. Si parla di adsorbimento fisico quando le molecole del gas vengono trattenute sulla superficie mediante forze più deboli dei legami chimici, che vengono tecnicamente chiamate forze di Van der
Waals. Si parla invece di adsorbimento chimico quando gli atomi
(o gli ioni) del gas adsorbito vengono fissati alla superficie attraverso veri e propri legami chimici. In generale l’adsorbimento chimico consente di accumulare più calore dell'adsorbimento fisico ma può dar luogo ad un fenomeno irreversibile;
- l’ absorption, ovvero un processo di penetrazione di un gas in un solido o in un liquido o di un liquido in un solido quando la sostanza assorbita permea uniformemente tutta la massa del corpo
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assorbente. Anche in questo caso è possibile una distinzione tra absorbimento chimico e absorbimento fisico;
gli accumuli chimici che sfruttano l’energia assorbita e rilasciata quando, con processi chimici reversibili, si rompono o si riformano dei legami molecolari. Essi possono essere:
- elettrochimici, nei quali l'energia viene immagazzinata accumulando energia in forma elettrica (come nelle batterie); - elettromagnetici, dove per immagazzinare l’energia vengono
utilizzate reazioni fotochimiche o di fotosintesi;
- termochimici senza assorbimento, dove, utilizzando reazioni termochimiche, l’immagazzinamento avviene sotto forma di energia termica.
-
absorbimento chimico; - adsorbimento chimico;Figura 2.2 - Classificazione accumuli termici secondo Edem Tsoukpoe, Hui Liu (fonte: 14).
Dalla Figura 2.2 è evidente come un’ulteriore classificazione dei sistemi di accumulo stagionali possa essere fatta distinguendo tra processi termochimici e processi non termochimici.
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Tra gli accumuli a breve termine si possono invece trovare (Figura 2.3):
Figura 2.3 - Classificazione accumuli a breve periodo.
Accumuli a calore sensibile [15]
L’energia termica può essere immagazzinata sotto forma sensibile in un materiale, variandone la temperatura e quindi l’energia interna.
L’energia stoccata si calcola come prodotto tra la massa, il calore specifico e la variazione di temperatura. Oltre alla densità e al calore specifico del materiale è necessario valutare nella scelta del materiale anche altre importanti proprietà: temperature ammissibili, conduttività termica, diffusività termica, pressione di vapore, compatibilità coi materiali, stabilità, infiammabilità, e non ultimo i costi.
In questi materiali l'energia termica viene accumulata innalzando la temperatura. Di conseguenza la quantità di calore accumulata viene calcolata come segue:
50 dove:
Come è possibile vedere anche dalla Figura 2.3 questo tipo di accumuli a calore sensibile possono essere sia solidi che liquidi, mentre non esistono accumuli sensibili allo stato gassoso.
Accumuli a calore latente ovvero a cambiamento di fase: PCM (Phase Change Materials), di cui ci si occuperà nella seguente trattazione [15]
L’energia termica può essere accumulata in maniera quasi isoterma sotto forma di calore latente in cambiamento di fase. Con questo tipo di accumulo si hanno serbatoi di minori dimensioni in quanto il calore latente scambiato nella transizione di fase è maggiore se confrontato con il calore sensibile; il controllo dello scambio termico si rivela molto più complicato e la maggior parte di questi materiali subisce una degradazione dopo alcuni cicli di cambiamento di fase.
Per quanto riguarda gli accumuli a cambiamento di fase la quantità di calore immagazzinata nell’accumulo viene calcolata come segue:
∫ ∫
[ 2.2 ] dove:51
Come è possibile notare Figura 2.3 il cambiamento di fase del materiale può avvenire attraverso le seguenti trasformazioni di stato: solido-solido, liquido-gas e solido-liquido.
Nelle trasformazioni solido-solido il calore viene accumulato mentre avviene una trasformazione nel materiale da un tipo di cristallizzazione ad un altro. Queste trasformazioni sono caratterizzate in genere da un calore latente inferiore rispetto alle trasformazioni solido-liquido. Il vantaggio nell’utilizzo di accumuli di questo tipo consiste in una maggior facilità nella progettazione e nel design degli accumuli stessi. Per tali accumuli i materiali più promettenti risultano essere le soluzioni solide organiche di phentaerythrito, Li2SO4 e KHF2 [16].
I cambiamenti di fase di tipo liquido-gas, gas-liquido consentono invece un elevato scambio di calore latente, ma le elevate variazioni dei volumi che avvengono durante la trasformazione di fase implicano grossi problemi nella gestione dell’accumulo. Queste elevate variazioni di volume rendono quindi necessario l’utilizzo di sistemi di accumulo complessi; di conseguenza si opta in genere per l’utilizzo di accumuli a cambiamento di fase solido-liquido.
I cambiamenti di fase tipo solido-liquido, liquido-solido comportano uno scambio di calore latente inferiore rispetto alle trasformazioni liquido-gas, tuttavia consentono una variazione di volume molto minore (nell’ordine del 10% o meno). Dalla letteratura è emerso che questa tipologia di accumuli risulta essere sia quella economicamente più conveniente sia quella più utilizzata.
Di conseguenza in questa Tesi sarà proprio questo cambiamento di fase ad essere preso in considerazione.
Nei successivi capitoli il termine PCM sarà quindi associato ai materiali con quest’ultima modalità di cambiamento di fase. In particolare nel
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capitolo 4 verranno illustrate le principali caratteristiche di questi materiali illustrando quali siano quelli esistenti in commercio e più adatti per l’utilizzo come sistemi di accumulo in impianti solari termodinamici.