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L’accumulo di energia termica nel terreno

L’accumulo di energia è un concetto nato alla fine degli anni 70, quando le prime crisi energetiche legate all’oscillazione dei costi dei combustibili fossili portarono i principali paesi petrolio-dipendenti a pensare a fonti di energia alternative. Risorse rinnovabili come sole, vento e acqua (precorritrice tra tutte le rinnovabili) sono state ampiamente studiate nel passato recente e meno recente e sono giunte ad un livello tecnologico e di sostenibilità economica tale da produrre circa il 24% di tutta l’energia consumata in Europa (il 23% in Italia). Tuttavia l’idea di sfruttare le risorse rinnovabili è sempre stata accompagnata dal problema che molte di queste forniscono energia in periodi limitati dell’anno o del giorno, solitamente quando la domanda è minima (si pensi al solare). In relazione a ciò, il concetto dell’accumulo è diventato cruciale sia in campo elettrico quanto in campo termico per trovare soluzioni affidabili, efficienti e sostenibili economicamente.

 

Le applicazioni geotermiche a bassa entalpia, l’energia solare, la biomassa, il biogas (per citarne alcune) hanno le caratteristiche necessarie per guidarci nella transizione energetica resasi essenziale a causa dei problemi climatici, ambientali e geopolitici che si rivelano sempre meno gestibili. Le fonti rinnovabili sono ampiamente disponibili e possono essere integrate insieme per soddisfare sia i fabbisogni residenziali (riscaldamento e raffrescamento), sia le necessità del tessuto imprenditoriale locale. Lo stoccaggio energetico giocherà pertanto un ruolo fondamentale nello sviluppo delle reti energetiche alimentate da risorse verdi, in modo da sopperire alla non-programmabilità delle sue fonti e garantire una produzione quanto più continua e stabile nel tempo. Solo con notevoli innovazioni in quest’ambito potremo progressivamente ridurre la nostra dipendenza dalle fonti fossili e mirare ad un 100% di produzione verde come auspica il WWF in un report del 2013.

 

Per quanto riguarda l’energia termica vogliamo approfondire in questo articolo le metodologie attuabili per accumulare il calore, presentando brevemente qual è lo stato dell’arte su meccanismi, materiali e impianti in attività. Quello che viene definito heat storage in terminologia scientifica comprende differenti tipi di produzione e accumulo di energia termica. I principali consistono nel produrre energia solare tramite classici pannelli solari termici e accumularla in specifici materiali per uno stoccaggio a breve (essenzialmente diurno) o lungo termine (stagionale). I materiali per accumulare energia sono selezionati in base al “tipo” di calore che si intende sfruttare: l’energia termica può infatti essere accumulata sotto forma di calore (i) latente, (ii) di reazione chimica e termo-chimica o (iii) sensibile. Il calore latente è la quota parte di energia termica che concorre al cambiamento di fase dei materiali ed è per questo che i materiali utilizzati da questo meccanismo di accumulo sono detti Phase Change Materials (PCM). Il calore di reazione è quello che viene incorporato dal prodotto di due reagenti in reazioni endotermiche o liberato in reazioni esotermiche e i materiali utili a tal fine sono definiti Thermo-Chemical Materials (TCM). Infine il calore sensibile (su cui ci soffermiamo in questo articolo) è quello che partecipa all’aumento di temperatura dei materiali (senza indurre cambiamenti di fase), che per questo processo sono classicamente acqua, roccia o terreni e cemento. I primi due meccanismi (con PCM e TCM) costituiscono le ultime innovazioni tecnologiche nell’ambito delle scienze dei materiali e sono tuttora a livello di ricerca accademica e non, ma ancora privi di reali applicazioni. Il calore sensibile è invece il più avanzato dal punto di vista della ricerca ed è sfruttato da diversi decenni, in particolare per quanto riguarda l’acqua che possiede una notevole capacità termica (4,6 MJ/m3/K), doppia rispetto a rocce e terreni.

In generale, i fattori principali che influenzano la scelta del volume di stoccaggio sono la differenza di temperatura indotta nel mezzo (ΔT) e la densità di energia del materiale, espressa come la quantità di energia accumulabile per unità di volume o di massa (kWh/m3 o kWh/kg) e dipendente essenzialmente dalla capacità termica del materiale. L’energia accumulata in un materiale può così essere espressa in questo modo:

E = densità x capacità termica x volume x ΔT

 

Le principali applicazioni che sfruttano il calore sensibile possono essere divise in differenti categorie a seconda del mezzo di stoccaggio: (i) acqua, (ii) rock beds, (iii) roccia o terreni.

L’acqua è sicuramente il mezzo più favorevole per l’accumulo di calore sensibile perché, come detto, ha una buona capacità termica e può essere pompata ed estratta facilmente, oltre a essere ampiamente disponibile. I primi sistemi messi a punto riguardano serbatoi artificiali che possono essere interrati, per limitare la dissipazione del calore accumulato, oppure incorporati ad un edificio. Diversi impianti di questo tipo furono costruiti negli anni 80 e 90 in Svezia, Germania, Danimarca e Italia sia con finalità di accumulo a breve termine sia per stoccaggi di maggior durata per coprire lo sbilanciamento tra estate ed inverno. Il termine anglosassone per indicare questo tipo di applicazione è solitamente tank thermal energy storage (TTES). Un concetto importante in quest’ambito, ma che si ripropone anche nelle altre tipologie come vedremo, è quello della stratificazione. “Stratificare” il mezzo di stoccaggio significa creare delle porzioni più calde rispetto ad altre, in modo da poter attingere al volume sia per estrarre calore (porzioni calde) sia per caricare ulteriore energia termica al suo interno (porzioni fredde). È sicuramente più vantaggioso separare il volume in questo modo, rispetto ad averlo tutto ad una temperatura omogenea. Come descritto in precedenza infatti, la differenza di temperatura è un fattore chiave, essendo direttamente proporzionale alla quantità di energia accumulata che può essere così estratta e utilizzata. Inoltre, più è bassa la temperatura del fluido che ritorna ai pannelli solari per essere nuovamente riscaldato, maggiore è l’efficienza del sistema perché le perdite di calore dei collettori per radiazione e convezione sono minimizzate. Per ottenere un serbatoio stratificato si utilizzano stratificatori, diaframmi o particolari accorgimenti nella forma del serbatoio e nella configurazione dei tubi di mandata e ritorno per favorire l’azione della forza gravitazionale sui gradienti di densità.

L’acqua viene anche sfruttata in sistemi più complessi che prevedono di estrarre acqua ad una certa T dal sottosuolo (solitamente 10-15°C, a seconda delle condizioni idrogeologiche locali), riscaldarla per mezzo dell’energia termica a disposizione e re-iniettarla nello stesso acquifero ad una temperatura maggiore (ΔT 5-10°C in base alla normativa e agli studi di impatto). Nella stagione invernale si può così estrarre acqua ad una T più elevata rispetto alle condizioni indisturbate e migliorare pertanto l’efficienza dei sistemi a pompa di calore. Per questi sistemi (detti aquifer thermal energy storage – ATES) sono sufficienti due pozzi posizionati correttamente in modo da non creare interferenza tra estrazione ed immissione e scongiurare un corto-circuito termico. L’efficienza è ottima come per i classici impianti a pompa di calore a ciclo aperto, ma la permeabilità dell’acquifero è un fattore determinante. Ghiaie e sabbie sono sconsigliabili perché presentano velocità di propagazione di metri al giorno; al contrario gli acquiferi sabbioso-limosi sono ideali per un applicazione di questo tipo perché la dispersività termica è minima. Germania, Olanda e Turchia, pioniere in questo campo, possono infatti permettersi di sfruttare ampiamente i loro acquiferi.

Altre applicazioni che sfruttano l’acqua come mezzo di stoccaggio sono i solar ponds, letteralmente stagni solari, o i cavern thermal energy storage (CTES). I primi consistono in laghi artificiali o naturali il cui fondo viene spesso coperto da teli neri per attirare maggiormente la luce solare. Sperimentati inizialmente in Israele negli anni 60, hanno in realtà avuto poche applicazioni successive. L’idea alla base prevede di sfruttare gradienti di densità che si creano in risposta a gradienti di salinità e fanno sì che l’acqua calda stazioni sul fondo del serbatoio a cielo aperto. In questo modo la dissipazione del calore verso l’atmosfera è impedita da un isolante superficiale di acqua più fredda. In questo caso risulta fondamentale un controllo costante della proliferazione algale a causa della scarsa ossigenazione e del limitato ricircolo. I CTES sono sistemi che utilizzano serbatoi sotterranei, precedentemente sfruttati da industrie minerarie o petrolifere, per accumulare grandi quantitativi di acqua e sfruttarli in maniera analoga ai TTES. Diverse applicazioni di questa tipologia sono documentate in Svezia e Finlandia; a differenza degli altri impianti, il ΔT e le portate di estrazione/immissione possono essere notevolmente maggiori, ma lo svantaggio dei costi significativi iniziali sembra poter essere superato solo con impianti di ampie dimensioni.

 

I rock beds (detti anche water-gravel thermal energy storage – WGTES) consistono in serbatoi artificiali riempiti di ghiaia o pezzi di cemento saturi di acqua o aria, le quali agiscono da fluido di trasporto del calore. Se si utilizza aria, questa fa solo da mezzo trasportatore, se al contrario viene applicata l’acqua, essa contribuisce anche allo stoccaggio e il sistema viene detto ibrido attivo. Questi impianti possono garantire ΔT maggiori rispetto ai TTES ed è più facile garantirne la stratificazione e minimizzare la convezione interna. A svantaggio di questi sistemi, la struttura del serbatoio dev’essere più resistente (costi maggiori); inoltre, a parità di volume del serbatoio e di ΔT, l’energia stoccata è circa il 25% inferiore, ma come detto è possibile sfruttare ΔT decisamente maggiori. Germania e Cina hanno messo in atto diverse applicazioni di questo tipo.

 

Roccia o sedimenti sciolti possono essere sfruttati in modo indiretto in sistemi a circuito chiuso che utilizzano sonde geotermiche di medio-basse profondità (30-50 m) collegate direttamente, o tramite uno stoccaggio intermedio, ai pannelli solari che collettano l’energia termica. L’uso delle sonde ha dato il nome a questi sistemi che vengono definiti borehole thermal energy storage (BTES). Le sonde, in numero variabile da 30 a 50, sono solitamente disposte su un’area circolare e collegate in serie a blocchi di 5-6. Quelle centrali agiscono da nucleo caldo e man mano che ci si sposta verso l’esterno la temperatura di ingresso (e quindi quella conseguente nel terreno/roccia) è progressivamente inferiore. Questa stratificazione è utile per gli stessi motivi già descritti a riguardo dei TTES e in più diminuisce il flusso termico dispersivo verso l’esterno. In pratica, diminuendo il gradiente termico, si crea uno schermo per proteggere il nucleo caldo direttamente con le sonde che fan parte del sistema. Si applicano in ogni caso strati isolanti in superficie per diminuire la dissipazione verso l’atmosfera e, sebbene complicato dal punto di vista operativo, si possono adottare isolamenti a lato dell’intero volume di stoccaggio. Tali sistemi possono anche essere costruiti a disposizione orizzontale, con le sonde disposte orizzontalmente a partire da un condotto centrale. I vantaggi consistono nell’avere roccia o terreno ampiamente disponibili, anche se la densità di energia si attesta ai livelli più bassi di tutti i sistemi presentati, pari a 15-30 kWh/m3 contro i 30-50 dei WGTES e i 60-80 dei TTES.

 

La Svezia è stata il paese leader nello stoccaggio di calore sensibile a partire dagli anni 80. La limitata produzione solare dovuta alle alte latitudini l’ha spinta a trovare soluzioni efficaci per l’accumulo, così numerosi impianti sperimentali e dimostrativi furono costruiti in quegli anni. Principalmente si concentrarono su serbatoi artificiali o naturali di acqua di medio-grandi dimensioni, ma non disdegnarono nemmeno la sperimentazione su rock beds e stoccaggio in roccia. Nei primi anni 90 il Canada prese la leadership con la messa a punto di numerosi impianti ATES non per accumulare energia solare, ma per sfruttare il surplus di calore prodotto dagli edifici nella stagione estiva ed utilizzarlo in inverno per il riscaldamento degli stessi. La Germania iniziò la sperimentazione nel 1996 con una serie di dieci impianti di energia solare a larga scala usando serbatoi d’acqua, acquiferi e terreni per lo stoccaggio termico. Anche l’Olanda a cavallo del nuovo millennio partì con la progettazione e la costruzione di molti impianti a ciclo aperto, sfruttando le caratteristiche dei suoi abbondanti acquiferi a bassa permeabilità, avvantaggiandosi del fatto che la velocità di propagazione dell’acqua sotterranea non dissipa in modo significativo l’energia termica immessa.

 

In conclusione, vorremmo porre l’attenzione sull’importanza, nel caso di impianti che sfruttano il terreno o la roccia, di un’accurata caratterizzazione termica del sottosuolo per una progettazione né sovrastimata né sottostimata. Gli studi di caratterizzazione dovrebbero essere condotti a più livelli e coinvolgere differenti ambiti disciplinari in modo da limitare il più possibile la variabilità dei dati. Inoltre, visto l’impatto non trascurabile di alcuni impianti (ATES e BTES su tutti) sarebbe auspicabile che si adotti un monitoraggio del pennacchio termico indotto nel terreno: questo porterebbe benefici all’ambiente circostante e ad eventuali applicazioni analoghe presenti “a valle”, ma sarebbe di indubbia utilità anche nell’ottimizzazione dell’efficienza dell’impianto stesso.

 

Per maggiori approfondimenti sull’accumulo di energia termica vi invitiamo a consultare questa trattazione specifica e vi segnaliamo i seguenti link:

 

16 Marzo 2015

Nicolò Giordano

 

  • ATES aquifer thermal energy storage
  • BTES borehole thermal energy storage
  • CTES cavern thermal energy storage
  • PCM phase change materials
  • TCM thermo-chemical materials
  • TTES tank thermal energy storage
  • WGTES water-gravel thermal energy storage
 
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