Per impiegare al meglio il calore generato dall’industria e per stoccare l’energia elettrica generata dalle fonti rinnovabili, si fanno strada le batterie termiche, tra le più recenti soluzioni TES - Thermal Energy Storage.
Il calore è fondamentale per la vita e per produrre molti beni. È la principale voce di uso finale dell’energia al mondo, rappresentando quasi la metà del consumo energetico finale globale [fonte: Renewables 2021, IEA], un quantitativo ben più alto rispetto ai trasporti (30%) e all’elettricità (20%).
Spesso il calore viene sprecato, specie nei processi industriali. Si stima che tra il 20 e il 50% dell’energia usata dall’industria venga persa sotto forma di calore di scarto e disperso dalle superfici delle apparecchiature [fonte: US Department of Energy]. L’Agenzia internazionale dell’Energia, nel report Renewables 2023, ha previsto che la domanda di calore industriale aumenterà del 16% (+17,6 EJ) a livello globale nel periodo 2023-2028.
Non sprecare questo calore, utilizzandolo al meglio, è possibile. In parte, è già una possibilità conosciuta e praticata da almeno 200 anni. Ma sfruttarne una quota sempre maggiore e riuscire ad accumularlo per convertirlo in energia diventa uno dei fattori chiave per la decarbonizzazione industriale e anche per accelerare la transizione energetica.
Si stima che il potenziale di generazione di elettricità da energia termica attualmente inutilizzata nei processi industriali sia di ben 150 TWh all’anno [fonte: TEHAG – Thermal Energy Harvesting Advocacy Group]. È un quantitativo equivalente all’energia consumata da 20 milioni di cittadini, alla produzione annuale di 19 centrali nucleari o al consumo annuale di Paesi Bassi e Danimarca messi insieme, mette in evidenza lo stesso TEHAG.
Non solo: l’accumulo termico potrebbe aumentare la potenziale capacità di stoccaggio energetico a lunga durata (LDES) a livello globale, passando da un intervallo compreso tra 1 TW e 3 TW entro il 2040 a una capacità compresa tra 2 TW e 8 TW [Fonte: LDES Council / McKinsey]. Tale crescita si tradurrebbe in un incremento di investimenti, compreso tra 1600 e 2500 miliardi di dollari e sarebbe in grado di aumentare le dimensioni del mercato tra i 1700 miliardi e i 3600 miliardi di dollari entro il 2040.
Per riuscire a sfruttare al meglio questo enorme potenziale, ci sono diversi modi, i più interessanti e recenti dei quali hanno forma di batterie termiche: negli ultimi anni sono nate realtà industriali e startup e sono stati avviati progetti di ricerca le cui soluzioni potranno contribuire a rendere più circolare il modo di produrre energia, riducendo i consumi e le emissioni.
Takeaway
Accumulo termico: un’idea antica che si rinnova
Immagazzinare energia sotto forma di calore non è un’idea nuova. Da quasi 200 anni i produttori di acciaio catturano e impiegano il calore di scarto per ridurre la domanda energetica.
Nel tempo, però, si sono affinati metodi per l’accumulo termico sempre più sofisticati. Così, nell’insieme dei sistemi di energy storage, i sistemi di accumulo di energia termica (o Thermal Energy Storage – TES) si sono sviluppati per immagazzinare calore in modo da impiegarlo subito o successivamente, con la possibilità di stoccarlo e utilizzarlo per lungo tempo.
Ci sono almeno tre modalità di stoccaggio termico: l’accumulo di calore sensibile, latente o termochimico.
Con calore sensibile, si definisce la quantità di calore che viene scambiata tra due corpi, producendo un cambiamento di temperatura. È detto così il calore in grado di causare una variazione di temperatura in un oggetto. I sistemi di accumulo di questo tipo sfruttano materiali come la roccia, la sabbia o il cemento per stoccare l’energia termica e impiegarla successivamente.
Nel caso del calore latente, si tratta della quantità di calore di una sostanza che subisce un cambiamento di stato. I sistemi di accumulo di questo tipo accumulano energia senza alterare la temperatura del materiale, ma modificando lo stato; in questo caso vengono utilizzati i materiali a cambiamento di fase (PCM).
Nel caso dell’accumulo di calore termochimico, il calore viene fornito mediante reazioni reversibili: uno dei materiali impiegati sono specifici sali.
Oltre a stoccare calore, i sistemi di accumulo termico possono stoccare energia elettrica quando viene richiesta. Ed è qui che entrano in gioco le batterie termiche, tecnologie relativamente recenti che stanno incontrando un crescente interesse.
Con l’aumento previsto delle fonti rinnovabili – in primis fotovoltaico ed eolico, per loro natura intermittenti – poter contare su sistemi di energy storage capaci di catturare l’elettricità generata, immagazzinandola e rilasciandola quando viene richiesta, nonché su varie forme di batterie di accumulo, è fondamentale.
Batterie termiche: le soluzioni e i progetti made in Italy
I materiali per l’accumulo termico impiegati nelle batterie sono diversi, come variegati sono i sistemi e le realtà industriali e di ricerca che vi stanno lavorando.
In Italia, c’è chi lavora sfruttando la sabbia: l’azienda Magaldi ha ideato, realizzato e brevettato MGTES, un sistema ad alta temperatura (anche oltre 1000 °C) per l’accumulo di energia termica, basato su un letto di sabbia fluidizzata, ovvero in grado di acquisire proprietà tipiche dei fluidi.
Una volta caricato con energia elettrica da fonti rinnovabili, il sistema è in grado di immagazzinare energia pulita per ore, giorni o settimane per poi rilasciarla su richiesta.
Il suo funzionamento si struttura in tre fasi: carico, stoccaggio e scarico. Nella prima, il letto di particelle solide può essere riscaldato utilizzando riscaldatori elettrici o fluido ad alta temperatura. In questa fase, il letto fluido è attivo per migliorare il trasferimento di calore. Nella seconda, la fluidizzazione è disattivata e la sabbia si accumula sul fondo del modulo, consentendo all’energia assorbita di essere immagazzinata. Nella fase di scarico, lo scambiatore di calore integrato incorporato nel letto fluido di particelle di sabbia viene invertito per scaricare il sistema.
Sempre italiana è la startup deeptech I-Tes, che fa capo all’Università di Torino e che ha sviluppato batterie di accumulo termico con materiali a cambio di fase come PCM (Phase Change Materials) e TCM (Thermo Chemical Materials). Questi materiali sfruttano il fenomeno fisico del cambio di stato per accumulare e rilasciare grandi quantità di energia (calore), passando da uno stato fisico a un altro.
A livello di ricerca, va segnalato il progetto europeo BLAZETEC, coordinato dal CNR-ISM (Consiglio Nazionale della Ricerca – Istituto di Struttura della Materia), avviato a luglio 2024, che intende sviluppare batterie termiche operanti ad alta temperatura (da 1200 a 1600 °C), offrendo soluzioni per l’accumulo e la conversione di energia a lunga durata.
Il progetto intende arrivare a mettere a punto due soluzioni pilota: una batteria termica elettrica capace di convertire l’elettricità in eccesso in calore e poi di nuovo in elettricità, e una batteria solare termicaprogettata per immagazzinare la radiazione solare concentrata e fornire energia elettrica su richiesta. Entrambi i sistemi integrano convertitori di energia allo stato solido termoionica (TIG), termoelettrica (TEG) e termofotovoltaica (TPV).
L’interesse crescente e le soluzioni sviluppate nel mondo
A livello internazionale, le batterie termiche stanno incontrando un sensibile interesse. L’esempio della startup californiana Rondo Energy lo conferma: a giugno 2024, ha ottenuto 75 milioni di euro di finanziamenti da parte della Commissione Europea, della Banca europea per gli investimenti e da Breakthrough Energy Catalyst (piattaforma fondata da Bill Gates per finanziare progetti cleantech particolarmente innovativi) per tre progetti di decarbonizzazione industriale in Europa.
Il sistema di storage termico messo a punto dall’azienda si basa su un riscaldatore a resistenza, che trasforma l’elettricità (proveniente da impianti eolici o fotovoltaici) in calore, un po’ come funziona una stufetta elettrica. Il calore viene usato per riscaldare pile di mattoni refrattari che agiscono come vero e proprio “cuore” dell’accumulo.
Quando si desidera calore, l’aria fluisce attraverso la pila di mattoni e viene surriscaldata a più di 1000 °C: oltre all’aria calda, può erogare altri flussi di gas, sostituendo così i combustibili fossili nei processi a combustione diretta e indiretta. Oppure può essere attivata in una configurazione di cogenerazione con una turbina a vapore per fornire calore e/o energia elettrica.
Utilizza sempre mattoni refrattari, reingegnerizzando le loro caratteristiche, lo spinoff del MIT Electrified Thermal Solutions. Esso ha dato vita a una batteria termica in grado di accumulare calore e fornirlo a usi industriali, anche per usi con temperature molto elevate, utili per ambiti particolarmente energivori come acciaierie o cementifici.
Nel caso specifico, la batteria termica si carica facendo passare l’elettricità direttamente attraverso i mattoni per riscaldarli tramite l’effetto joule (fenomeno per cui qualsiasi conduttore elettrico si riscalda, se percorso da corrente elettrica) fino a 1800°C. A tale temperatura, l’energia termica viene stoccata; il sistema è pronto poi per essere scaricato, facendo passare aria o un altro gas attraverso i canali dei mattoni per fornire calore a qualsiasi caldaia, turbina o fornace.
Un altro aspetto di interesse del sistema è legato al suo uso in campo energetico. La batteria termica può essere adattata a un impianto a gas esistente: quando c’è energia elettrica in eccesso (prodotta da rinnovabili), converte l’elettricità in calore e la immagazzina. Quindi, quando la domanda di elettricità supera l’offerta, erogherà aria calda ad alta pressione alla turbina a gas per generare elettricità quando è più necessaria.
Un’altra startup californiana, Antora Energy, sfrutta, invece, per le sue batterie termiche, blocchi di carbonio solido, riscaldabili fino a 2400 °C. Il calore viene trasferito utilizzando la luce dei blocchi incandescenti, grazie alla tecnologia termofotovoltaica, basata sul processo di conversione diretta dal calore all’elettricità tramite fotoni.
Si tratta, più nello specifico, di una tecnologia di generazione energetica in grado di usare la radiazione termica per generare elettricità in celle fotovoltaiche. Il sistema TPV messo a punto dalla startup è costituito da un emettitore termico capace di raggiungere temperature anche superiori a 1.000 °C e da una cella fotovoltaica in grado di assorbire i fotoni provenienti dalla fonte di calore.
Edifici come soluzioni di accumulo termico e come sostegno alla rete elettrica
Uno degli sviluppi più promettenti, sempre in tema di accumulo termico, è quello che intende sfruttare le proprietà dei PCM per integrarli nei materiali da costruzione. Uno studio condotto dal NREL – “Enabling Thermal Energy Storage in Structural Cementitious Composites with a Novel Phase Change Material Microcapsule Featuring an Inorganic Shell and a Bio-Inspired Silica Coating” – si è focalizzato sulle proprietà di determinate microcapsule di materiale a cambiamento di fase, quali soluzioni promettenti per integrare i PCM in edilizia.
In particolare, lo studio illustra lo sviluppo di un nuovo processo per applicare un rivestimento in silice a specifiche microcapsule in silice bioispirata. Processo che utilizza silicato di sodio a basso costo come precursore, che permette di sviluppare il processo produttivo a temperatura ambiente.
Il rivestimento di questo tipo di silice, costituito da particolari microsfere ceramiche leggere e cave, riduce i picchi di temperatura, evidenziando una migliore capacità di accumulo di energia termica. Come spiegano gli autori:
«Questa nuova microcapsula PCM fornisce una soluzione conveniente per integrare l’accumulo di energia termica al materiale cementizio, come dimostrato dal fatto che oltre il 30% degli aggregati (in volume) può essere sostituito dalla microcapsula senza una drastica perdita di resistenza»
La finalità è accumulare energia termica per restituirla, sotto forma di energia elettrica, quando necessario, costituendo gli edifici come elementi utili a supportare ed equilibrare le esigenze della rete.
Sempre in edilizia, l’accumulo termico a base di acqua è sfruttato dalla società energetica canadese Enwave Energy, che ha progettato e installato a Toronto un impianto di accumulo termico costituito da acqua. Nel dettaglio, hanno realizzato un serbatoio a temperatura controllata, capace di contenere più di 7 milioni e mezzo di litri d’acqua, basato dal sistema DLWC (Deep Lake Water Cooling), che sfrutta le sorgenti profonde del Lago Ontario, fungendo da sistema di riscaldamento e raffrescamento degli immobili collegati, costituendo un sistema a basse emissioni di CO2.
Si basa, invece, su acqua e sale (carbonato di potassio) il sistema di accumulo termochimico messo a punto dal progetto europeo Heat-Insyde, che si pone l’obiettivo di creare una batteria termica per immagazzinare il calore e rilasciarlo per il riscaldamento domestico, in complemento alla pompa di calore.
Il suo funzionamento si basa sulle proprietà delle due materie prime. Quando vengono aggiunti l’uno (sotto forma di vapore acqueo) e l’altro, l’acqua si lega al sale e quest’ultimo si trasforma in una nuova forma cristallina.
Questa reazione rilascia calore ed è un processo reversibile. Quando viene aggiunto calore per separare l’acqua dal nuovo cristallo, si ottengono di nuovo i due componenti originali. Il calore generato viene immagazzinato e, finché questi due componenti vengono separati, viene mantenuto, senza perdita di calore.
In questo modo è possibile immagazzinare molto calore in un volume decisamente compatto. Ma non solo. La batteria intende bilanciare la fornitura di energia rinnovabile sia della rete che quella decentralizzata, consentendo la configurazione nei sistemi di riscaldamento e in quelli di elettricità.
Glimpses of Futures
Le batterie termiche e, in generale, le soluzioni per l’accumulo termico possono costituire una risorsa utile a ridurre consumi ed emissioni, specie in ambito industriale, ma anche a fornire un’alternativa di energy storage per sostenere la crescita delle fonti rinnovabili e creare le condizioni per un’edilizia più efficiente.
Proviamo, ora, ad anticipare possibili scenari futuri, analizzando – attraverso la matrice STEPS – gli impatti che questi sistemi di stoccaggio termico potrebbero avere su più fronti.
S – SOCIAL: le batterie termiche possono fornire una fonte affidabile di accumulo di energia per comunità remote o off-grid, che spesso non hanno accesso alla rete elettrica. Un esempio è fornito dal progetto abitativo attuato in un’area delle Highland scozzesi, sofferente di povertà energetica. Per la costruzione di 117 nuove case a prezzi accessibili nel complesso residenziale Blar Mhor vicino a Fort William, il consiglio locale ha colto l’opportunità di sostituire il sistema a gas di petrolio liquefatto originariamente previsto con tecnologie di riscaldamento a basse emissioni di carbonio, per ridurre le emissioni di carbonio e abbassare i costi energetici per i residenti. Le case sono state dotate di pompe di calore ad aria, pannelli solari montati sul tetto e batterie termiche Sunamp. Le pompe di calore e le batterie termiche utilizzano l’elettricità proveniente dai pannelli solari o dalla rete. Il consiglio stima una riduzione del 40-60% dei costi energetici domestici rispetto al sistema a gas di petrolio liquefatto originariamente previsto. Da quanto segnalato dalla realizzatrice di soluzioni di accumulo termico SunAmp, che ha fornito le batterie termiche, il consiglio stima una riduzione del 40-60% dei costi energetici domestici rispetto al sistema a gas di petrolio liquefatto originariamente previsto. Il progetto The Blar Mhor project è stato supportato dallo Scottish Government’s Low Carbon Infrastructure Transition Programme.
T – TECHNOLOGICAL: la necessità crescente di sfruttare il calore per riutilizzarlo o convertirlo in energia utile, spinge la ricerca verso nuove soluzioni di accumulo termico, studiando le proprietà di nuovi materiali o impiegando quelli già esistenti per sfruttare al meglio le loro caratteristiche. Due esempi lo offrono Malta e Brenmiller: la prima, spinoff di Google X nata nel 2018, si è focalizzata sullo sviluppo di accumulo di energia elettrotermica a lunga durata che sfrutta le proprietà dei sali fusi (alla base dei sistemi di solare termodinamico) per accumulare il calore e rilasciarlo sotto forma di energia tramite un motore termico. La tecnologia messa a punto da Malta è potenzialmente utile per riconvertire le vecchie centrali a carbone, riconvertendole in maniera sostenibile. Uno studio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, intitolato “Repowering Coal Plants as Pumped Thermal Energy Storage”, ha confermato l’uso del sistema di accumulo di energia termoelettrica di Malta per convertire in modo economicamente conveniente una centrale a carbone in pensione o in dismissione (o un’altra unità di generazione di energia fossile con turbina a vapore) in una centrale di energy storage a lunga durata. Brenmiller sfrutta, invece, le proprietà delle rocce frantumate per stoccare calore, mediante sistemi modulari, in modo da poter essere configurati e adattati a qualsiasi sito industriale dove poterli impiegare. Uno di questi è stato attuato in Italia, in una centrale termoelettrica Enel, dove accumula l’energia durante le ore di picco e la rilascia quando più necessaria.
E – ECONOMIC: le batterie termiche possono rendere i costi dell’elettricità per il riscaldamento industriale competitivi con le apparecchiature a gas naturale, sostituendo il 75% dell’uso di combustibili fossili nella domanda di energia di materia prima industriale degli Stati Uniti, circa 11.600 petajoule all’anno. Ciò equivale al consumo energetico totale di tutte le abitazioni presenti nei primi 12 Stati federali USA, come ha evidenziato il report “Thermal Batteries: Decarbonizing U.S. Industry While Supporting A High-Renewables Grid” del think tank indipendente statunitense Energy Innovation. Inoltre, non si deteriorano nel tempo e hanno una lunga durata anche in termini di vita utile, riducendo così i costi di manutenzione e sostituzione a lungo termine.
P – POLITICAL: in Europa, l’approvazione del Net-Zero Industry Act identifica le batterie nel novero delle tecnologie che possono essere supportate tramite progetti strategici. Inoltre, le industrie ad alta intensità energetica come l’acciaio, i prodotti chimici o il cemento che producono componenti utilizzati in queste tecnologie net-zero e che investono nella decarbonizzazione possono essere supportate come progetti strategici. Lo sviluppo e l’incentivazione delle batterie termiche può trovare sostegno, negli Stati Uniti, da parte dell’Inflaction and Reduction Act che, tra gli strumenti normativi, ha approvato il credito di produzione manifatturiera avanzata 45X per i produttori di tecnologie correlate all’energia pulita, tra le cui soluzioni incentivate vi sono anche i moduli batterie, come riporta lo U.S. Code § 45X – Advanced manufacturing production credit.
S – SUSTAINABILITY: le batterie termiche alimentate da energia rinnovabile potrebbero ridurre circa la metà delle emissioni dell’industria, secondo il rapporto “Opportunities to accelerate decarbonization of industrial heat” del Center for Climate and Energy Solutions, realizzando livelli di efficienza nell’intervallo del 90-98% tra l’energia elettrica e la domanda finale di riscaldamento industriale. Inoltre, le batterie termiche potrebbero avere un impatto significativo, sempre in termini di sostenibilità, nello sviluppo di fonti rinnovabili come fotovoltaico ed eolico, garantendo il supporto per l’energy storage di elettricità prodotta a zero emissioni.
