Le fonti rinnovabili sono il futuro dell’energia. Molti Stati nel mondo hanno già fissato un orizzonte temporale entro cui prevedono di abbandonare il carbone in favore delle energie pulite. Quando si parla di rinnovabili l’unico “neo” è legato ai problemi di immagazzinamento. Purtroppo abbiamo bisogno di energia 24 ore su 24 e non solo quando splende il sole o soffia il vento. È fondamentale che le fonti rinnovabili siano combinate con i “battery pack”, sistemi di accumulo nati per sopperire alla disponibilità di energia. Negli anni le batterie hanno fatto passi da gigante, le batterie agli ioni di litio sono ormai mature per un utilizzo su ampia scala: richiedono poca manutenzione e hanno lunga durata, ma di contro costano di più e sono soggetti a deterioramento dopo ogni ciclo di carica. I ricercatori del MIT, Massachusetts Institute of Technology, al fine di migliorare gli attuali sistemi di accumulo, hanno creato una batteria in grado di stoccare energia termica.

Dal MIT la batteria in grado di stoccare energia termica

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno realizzato un prototipo di batteria in grado di stoccare energia termica e rilasciarla quando necessaria. La batteria funziona grazie all’utilizzo di un materiale a cambiamento di fase (phase change material, PCM), in grado di accumulare calore grazie al passaggio di stato dalla fase solida a quella liquida. Solitamente i PCM sono solidi a temperatura ambiente ma quando questa sale e supera un certo valore, questi materiali si sciolgono accumulando calore (calore latente di liquefazione)  che viene sottratto all’ambiente. Quando la temperatura scende, il materiale si solidifica e cede il calore accumulato (calore latente di solidificazione). Esistono molti esempi di PCM: le cere, gli acidi grassi, i sali e molti di questi materiali vengono utilizzati nell’architettura ecosostenibile perché, inglobati in altri materiali, riescono a ridurre i consumi energetici delle abitazioni, contribuendo ad un migliore isolamento termico. Tutti i materiali a cambiamento di fase sono contraddistinti da un unico problema: richiedono una grande quantità di isolamento per non disperdere velocemente il calore immagazzinato. I ricercatori del MIT invece per la loro batteria in grado di stoccare energia termica hanno utilizzato degli “interruttori” molecolari in grado di rispondere agli stimoli luminosi. Questi interruttori, integrati nei PCM, cambiano forma in risposta alla luce che ricevono, permettendo di decidere quando cambiare la temperatura. “Il problema dell’ energia termica è rappresentato dal fatto che non si riesce a bloccarla” spiega il Professor  Grossman del MIT. Grazie ad una serie di studi, il suo team, ha sviluppato una serie di “add-on” da integrare ai PCM tradizionali, “piccole molecole in grado di cambiare la loro struttura quando vengono colpite dalla luce” afferma Grossman. “Il trucco è stato quello di trovare un modo per integrare queste molecole con materiali PCM convenzionali in modo tale da stoccare energia termica e rilasciarla sotto forma di calore, su richiesta”.

ricercatrice Grace Han

La chimica verde può salvare il mondo?

Per ottenere questi “add-on” i ricercatori hanno combinato gli acidi grassi con un composto organico in grado di rispondere a un impulso luminoso. Con questa configurazione, il componente fotosensibile è in grado di alterare le proprietà termiche dell’altro componente, che immagazzina e rilascia la sua energia. Il materiale ibrido si scioglie quando viene riscaldato e, dopo essere stato esposto alla luce ultravioletta, rimane fuso anche quando la temperatura si abbassa. Successivamente, attivato da un altro impulso di luce, il materiale ritorna nella sua forma solida restituendo l’energia termica a cambiamento di fase. “Integrando una molecola in grado di attivarsi grazie alla luce – dichiara Grossman –  è come se aggiungessimo una manopola di controllo per la fusione la solidificazione e il raffreddamento”.
La ricercatrice Grace Han, nel gruppo di ricerca che ha sviluppato la batteria per stoccare energia termica, afferma entusiasta: “Tecnicamente stiamo aggiungendo una sorta di barriera energetica in grado di inibire il rilascio del calore accumulato. È come se l’energia rimanesse bloccata nella sua forma chimica fino all’attivazione ottica che ne permette il rilascio”. I primi risultati di laboratorio hanno stabilito che il calore immagazzinato può rimanere stabile almeno fino a 10 ore.

centrale solare a concentrazione

SolarReserve’s Crescent Dunes Solar Energy Plant, located near Tonopah, Nev., features an array of 10,347 mirrors arranged in a circle 1.75 miles across. A 640-foot-tall tower glows when the sun’s energy is concentrated and directed to the top.

Quali sono i sistemi attuali per stoccare energia termica?

La batteria messa a punto dai ricercatori del MIT per stoccare energia termica è solo uno dei sistemi noti per lo stoccaggio energetico. Basata sull’accumulo di energia latente, questo principio si basa sull’utilizzo di materiali a cambiamento di fase (PCM). Il sistema però non è ancora maturo per essere applicato alla produzione di energia su vasca scala. Gli altri sistemi noti per stoccare energia termica sono: accumulo di calore sensibile  e stoccaggio termo-chimico. Il sistema basato su calore sensibile è di gran lunga quello più diffuso per la produzione di energia (oltre ad essere meno costo e complesso rispetto agli altri due). In un sistema TES (Thermal Energy Storage) a calore sensibile una massa liquida o solida (come ad esempio acqua, sali fusi, sabbia o rocce) viene riscaldata o raffreddata per immagazzinare energia. Uno degli esempi più noti di sistema basato su calore sensibile è il solare a concentrazione, come ad esempio l’impianto “Crescent Dunes Solar Energy Project” in Nevada; qui sono i sali fusi ad essere riscaldati.
Il sistema basato sullo stoccaggio termo- chimica, come suggerito dal nome, utilizza le reazioni chimiche per immagazzinare energia. Questi sistemi per stoccare energia termica, pur offrendo una maggiore densità di energia rispetto ai materiali a cambiamento di fase hanno costi molto elevati che ne bloccano la diffusione.

La ricerca, come dimostrano i ricercatori del MIT, sta concentrando l’attenzione sui sistemi basati sull’accumulo dell’energia latente. Si spera che in futuro questo sistema possa essere applicato su batterie di maggiori dimensioni, favorendone l’utilizzo su larga scala.

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