I nuovi materiali che aiuteranno l'accumulo di energia e di calore

I materiali a cambiamento di fase solido-liquido (PCM) sono stati studiati per decenni, con applicazione alla gestione termica e all'accumulo di energia a causa del grande calore latente con una variazione di temperatura o volume relativamente bassa. I recenti progressi e le sfide associate all'elettrificazione (fotovoltaico ed eolico), ai dispositivi elettronici e alle macchine ad alta densità di potenza, al trasporto elettrificato, alla conversione di energia e al condizionamento dell'edificio hanno rinvigorito l'interesse per l'accumulo termico PCM .

Uno degli svantaggi della moderna costruzione leggera è la mancanza di massa termica, il che significa che questo tipo di edificio può surriscaldarsi in estate e non può trattenere il calore in inverno. Spesso vengono installati sistemi di riscaldamento e raffrescamento per mantenere le temperature all'interno della zona di comfort. Tuttavia, è anche possibile replicare l'effetto della massa termica dell'edificio utilizzando materiali a cambiamento di fase (PCM).

L'accumulo di energia termica tramite PCM è in grado di immagazzinare e rilasciare grandi quantità di energia. Il sistema dipende dallo spostamento di fase del materiale per trattenere e rilasciare l'energia. Ad esempio, processi come la fusione, la solidificazione o l'evaporazione richiedono energia. Il calore viene assorbito o rilasciato quando il materiale passa da solido a liquido e viceversa. Pertanto, i PCM cambiano prontamente e prevedibilmente la loro fase con un certo apporto di energia e rilasciano questa energia in un secondo momento.

Nei cambiamenti di fase si verifica un assorbimento di energia oppure un rilascio di energia senza osservare una variazione di temperatura.

Grafico del calore necessario ai passaggi di stato di una sostanza.

L’efficienza di un PCM dipende dall'accumulo di calore latente.  Potenzialmente ogni materiale è un materiale a cambiamento di fase, perché le condizioni di passaggio di stato sono determinate dalla combinazione di pressione e temperatura. In un cambiamento di stato una grande quantità di energia, il cosiddetto calore latente, può essere immagazzinata o rilasciata ad una temperatura quasi costante. Pertanto, una piccola differenza di temperatura può essere utilizzata per immagazzinare energia e rilasciare l'energia immagazzinata.

Esempio di diagramma di fase. Diagramma di fase dell'acqua.

Il PCM limita le temperature eccessive immagazzinando il calore in eccesso durante il giorno e rilasciandolo durante la notte.  I materiali a cambiamento di fase (PCM) consentono di immagazzinare grandi quantità di energia in volumi relativamente piccoli

I materiali a cambiamento di fase (PCM) che hanno un grande calore latente durante la transizione di fase solido-liquido sono promettenti per le applicazioni di accumulo di energia termica 

Tuttavia, la conduttività termica relativamente bassa della maggior parte dei PCM promettenti ne limita la densità di potenza e l'efficienza di archiviazione complessiva. 

Per ottenere sia un'elevata densità di energia che una capacità di raffreddamento, sono necessari PCM aventi sia un elevato calore latente che un'elevata conduttività termica. Un metodo per aumentare la conduttività termica di un PCM consiste nel mescolare il PCM con un materiale ad alta conduttività termica, formando una struttura composita tramite l'inclusione di alette, matrici o particelle.

Inoltre la capacità di raffreddamento non è una proprietà intrinseca del materiale e dipende fortemente dalla geometria, dalle condizioni al contorno e dai cicli di temperatura.

Nelle applicazioni reali, i benefici derivanti dall'accumulo termico PCM devono essere considerati a livello di sistemi. Oltre all'energia e alla densità di potenza, il costo, la sicurezza e l'affidabilità rappresentano i fattori più importanti. 

I PCM possono essere classificati come organici, idrati, sali fusi e leghe metalliche.

Per l'accumulo termico, la temperatura di fusione, il calore latente e la conduttività termica del PCM sono parametri termofisici importanti. La temperatura di fusione determina l'intervallo di temperatura per il quale è efficace l'accumulo termico PCM. Il calore latente indica la densità di energia del PCM durante i cicli di immagazzinamento o rilascio. La conducibilità termica governa la velocità di carica o scarica dell'energia termica, talvolta etichettata come potenza di raffreddamento.

Ad esempio, le sostanze organiche hanno il raffreddamento più basso e tendono anche a degradarsi e sono infiammabili. I sali hanno il costo economico più basso; tuttavia, sono i più corrosivi per i contenitori e soffrono della separazione di fase. Le leghe metalliche sono le più stabili e le più costose. 

Per ridurre il costo economico dei materiali, vengono applicate miscele PCM. I PCM congruenti le cui fasi solida e liquida hanno la stessa composizione sono PCM ideali senza separazione di fase anche sotto raffreddamento.

Ulteriori opportunità di ricerca emergono nella modifica dei PCM con materiali o strutture aggiuntivi per nuove funzioni. Alcuni lavori hanno considerato PCM organici con nanoparticelle disperse o fogli di grafene per migliorare contemporaneamente la conduttività termica e il calore latente.  I nanomateriali (<100 nm) possono modificare la microstruttura del PCM e migliorare la cristallinità delle sostanze organiche, aumentando il calore latente di fusione . 

La progettazione delle proprietà dei PCM richiede la progettazione di materiali su scala atomica e molecolare e quindi la sintesi e la convalida su scala più ampia.

 Metodi di modellazione, progettazione e test associati per PCM , dispositivi e sistemi.

 Metodi di modellazione, progettazione e test associati per PCM , dispositivi e sistemi. Clicca sull’immagine per ingrandire

Applicazioni emergenti dell'accumulo termico PCM

L'accumulo termico che utilizza i PCM ha un'ampia gamma di applicazioni, che vanno da dispositivi elettronici su piccola scala, all'accumulo termico di energia degli edifici su scala media, alla generazione di energia solare concentrata su larga scala.

Nel contesto dell'intervallo di temperatura di applicazione, le applicazioni a bassa temperatura (<120°C) utilizzano tipicamente sostanze organiche, idrati di sale e leghe metalliche a bassa temperatura di fusione. Per temperature medie (120–200°C), sono stati sviluppati molti meno PCM, con solo poche cere di paraffina ad alto punto di fusione , acidi grassi e idrati. 

 Per applicazioni a temperature più elevate (>200°C), i PCM sono quasi interamente composti da sali fusi e leghe metalliche, la cui forte corrosività richiede un'attenta selezione del materiale del contenitore e precauzioni di sicurezza.

Evoluzione dei PCM a SS-PCM

I materiali a cambiamento di fase stabilizzati in forma (ss-PCM) possono immagazzinare fino a cinque volte più energia termica rispetto ai compositi PCM disponibili.

I PCM stabilizzati in forma (SSPCM) possono essere utilizzati per mantenere la sua forma solida, anche quando si verifica il cambiamento di fase da solido a liquido, e per evitare le interazioni tra PCM e materiali o ambiente circostanti, anche a temperature elevate. Inoltre, l'SSPCM consente il contatto diretto tra PCM e Heat Transfer Fluid (HTF) aumentando il tasso di scambio termico rispetto alle tradizionali tecniche di macro-incapsulamento. Negli SSPCM, la forza capillare e la tensione superficiale, fornite dal materiale dello scheletro, limitano il flusso dei sali fusi e ne prevengono la fuoriuscita.

Esistono vari materiali di stabilizzazione della forma con aree superficiali elevate, volume dei pori elevato e buona stabilità termica e chimica a temperature elevate. Una delle più utilizzate è la diatomite.

La diatomite possiede una varietà di proprietà uniche tra cui massa leggera, elevata area superficiale specifica, elevata porosità (80–90%), eccellente capacità di assorbimento e buona stabilità termica e chimica a temperature elevate. Inoltre, è abbondante e ha un prezzo relativamente basso.

Micrografia SEM della diatomite naturale. La farina fossile (diatomite) è una roccia silicea sedimentaria di origine organica ed è il residuo fossile di microscopiche alghe della famiglia delle diatomee.

 

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