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All’inizio degli anni 90’, visitai la “casa solare” del centro atomico, “EURATOM”, in Ispra, in provincia di Varese.

Il calore del sole, con l’utilizzo di pannelli fotovoltaici e solari termici, rendevano l’abitazione energicamente autonoma; a detta dell’ingegnere, responsabile dell’impianto occorreva ricorrere alla energia esterna, per non più di tre giorni all’anno.

L’acqua calda per uso quotidiano era ottenuta da uno scambiatore di calore con un proprio serbatoio di capienza adeguata per le necessità giornaliere, mentre, sotto la villetta e grande quanto le fondamenta della casa stessa, c’era lo scambiatore per l’accumulo del calore solare; in pratica, una vasca colma d’acqua, riscaldata durante le giornate di sole.

Il calore accumulato nella vasca d’acqua era prelevata tramite scambiatore di calore e messa in circolo, utilizzando pompe per liquidi, che la facevano circolare nei tubi posti sotto il pavimento dell’abitazione in modo da garantire una temperatura confortevole per tutto l’anno solare.

L’energia per alimentare le pompe, le luci e gli elettrodomestici proveniva dai pannelli solari.

L’energia elettrica in eccesso era accumulata in alcune batterie al piombo, e riutilizzata, tramite un inverter capace di trasformare la tensione continua, in tensione alternata a 220 Volt e 50 Hertz di frequenza.

Oggi, per merito d’internet, e della facilità di reperimento e costruzione di dispositivi termoelettrici, è possibile sfruttare la differenza di calore tra la temperatura dell’acqua della vasca e la temperatura esterna, in modo da convertire l’energia termica accumulata, in energia elettrica; tra questi componenti ci sono le celle Peltier, che funzionano anche al contrario, sfruttando l’effetto Seebeck, e i motori a combustione esterna come il motore Stirling abbinato a un generatore di corrente.

Accumulare l’energia termica utilizzando il calore di dissoluzione delle sostanze chimiche necessita una grande capacità di stoccaggio.

La possibilità di utilizzare l’energia di dissolvimento di un sale nel suo solvente non è sempre fattibile a causa del rapporto costo/beneficio per piccoli impianti.

 Un esempio di utilizzo dello sfruttamento commerciale delle reazioni esotermiche, lo abbiamo con

L’Acetato di Sodio

La cristallizzazione di una soluzione supersatura di Acetato di Sodio (CH3COO- Na+ ), è una reazione esotermica, conosciuta anche come “Hot Ice”, ed utilizzata  per riscaldare le mani in inverno.

La soluzione satura del sale rimane liquida fintanto che evento esterno come un impulso meccanico, scatena la reazione di cristallizzazione con produzione di calore; facendo bollire la soluzione torbida e fredda, il composto ritorna allo stato liquido e limpido.

L’acetato di sodio può essere facilmente preparato in casa aggiungendo il bicarbonato di Sodio all’aceto.

Preparazione

In un recipiente contenente 1 litro di aceto (possibilmente aceto bianco) si aggiunge  lentamente il bicarbonato di Sodio, finché non si sviluppano più bollicine di anidride carbonica CO2.

Na+[HCO3]-  +  CH3COO- H+ + H2O + CO2

Bollire, a fiamma bassa, finché la soluzione si concentra a circa 150-200cc millilitri, o meglio, finché si formano i primi cristalli.

Rimuovere dal fuoco e coprire il contenitore per evitare l’ulteriore precipitazione del acetato di Sodio.

Lasciar raffreddare e aggiungere una piccola quantità di acqua distillata, infine agitare per sciogliere i cristalli di acetato.

Mettere il tutto in frigorifero.

La soluzione ottenuta in questo modo è un esempio di “supecooled liquid”, dove il cristallo di acetato di sodio rimane in forma liquida.

L’equilibrio rimane stabile fintanto che un agente esterno induce l’inizio della cristallizzazione, con la produzione di calore.

Per innescare la cristallizzazione, è possibile aggiungere un piccolo cristallo di acetato di Sodio, oppure toccare la superfice con un dito, o, come nei sacchetti “scaldamano” acquistabili, introdurre nella confezione un meccanismo che innesca la reazione di cristallizzazione.

Se facendo bollire la soluzione, per utilizzare di nuovo lo “scalda mani”, la soluzione non ritorna limpida, significa che la reazione è stata innescata con l’aggiunta di piccoli cristalli di acetato di Sodio.

È possibile reperire sui siti di e-commerce, i cristalli di acetato di Sodio, già pronto.

Accumulo di energia termica utilizzando la variazione della struttura molecolare di una sostanza chimica che, quando è sottoposta a calore, varia la disposizione dei legami covalenti, della molecola.

La ricerca afferma che l’energia termica accumulata equivale a 103 kJ mol -1 (396 kJ kg -1), dimostrando di poter catturare 1,1% dell’energia solare e senza compromettere l’efficienza dei pannelli solari, ma la combinazione dei due sistemi, aumenta l’efficienza totale dell’80%.

APPLICAZIONI INDUSTRIALI

Accumulo energia in un sistema meccanico ruotante (flywheel).

Accumulo di energia termica con il cambiamento di fase: TED (Thermal Energy Device)

TED è un sistema di accumulo che utilizza la fase di transizione da solido a liquido del Silicio, conservando l’energia proveniente dai pannelli fotovoltaici, dai generatori eolici o da altre fonti energetiche, non sempre disponibile quando serve.

Gli ideatori del sistema dichiarano che oltre ad essere economicamente competitivo il loro sistema di accumulo ha una durata nel tempo di almeno venti anni, con un rendimento sestuplo, rispetto le attuali batterie al litio.

L’accumulatore è composto di più moduli da 5 KWh ciascuno, è composto da tre parti rimovibili per una facile manutenzione e in caso di interruzione, mantiene l’erogazione  per 48 ore.

Il test eseguito sul banco di prova, non mostra segni di degrado neppure dopo 3000 cicli di utilizzo, per di più il rendimento sembrerebbe migliorare a ogni ciclo di utilizzo.

TED, può essere utilizzato mentre si ricarica, è al 100% riciclabile; non ci sono trasformazioni perché non si tratta di una reazione chimica, ma di una trasformazione di fase, dallo stato solido allo stato liquido.

Il sistema può essere acceso e spento all’occorrenza.

Il principio di funzionamento è conosciuto fin dall’antichità, quando si disponevano sassi e rocce attorno al fuoco, per mantenere il calore che altrimenti si sarebbe disperso velocemente come aria calda, per di più il calore si manteneva anche quando la fiamma si era spenta; esistono termosifoni e boule elettriche che accumulano il calore nel materiale refrattario che ricopre gli elementi riscaldanti.

Questa capacità di accumulare il calore è conosciuta come “Capacità Termica”.

Quando il Silicio è riscaldato, aumenta la propria temperatura finché raggiunge il cambiamento di fase (phase changing) da solido a liquido, fornendo ulteriore energia termica, questa non aumenta la temperatura del sistema finché si raggiunge un nuovo cambiamento di fase; il silicio fonde a 1414°C e bolle a 3265°C.

È noto che la temperatura di ebollizione dell’acqua pura, con pressione atmosferica uguale a uno, bolle a 100°C, mantenendo la temperatura costante fintanto che è tutta evaporata; questo principio è sfruttato per la distillazione frazionata che serve per separare i composti con diverso punto di ebollizione; ciascun composto, ha un punto di ebollizione differente e nel passaggio di transizione di fase, la temperatura rimane costante.

Questo tipo di energia può essere accumulata.

TED, utilizza Silicio fuso (melt silicon/ molten silicon), contenuto in un grosso contenitore fortemente isolato, per mantenere la fase liquida, evitando disperdere il calore,  tuttavia, a parità di accumulo, è 12 volte meno ingombrante delle batterie al Piombo e diverse volte più piccolo delle attuali batterie al Litio; la conversione di calore in elettricità può avvenire con celle Peltier, motori Stirling, o qualsiasi altro sistema che utilizza il calore come fonte energetica.

Le fonti di energia rinnovabili, con esclusione dei sistemi idroelettrici, dove l’energia prodotta dai generatori collegati alle turbine che sfruttano masse d’acqua in movimento, non sono sempre disponibili, pertanto, è necessario pensare a un sistema di accumulo dell’energia prodotta.

Le centrali idroelettriche, che non possono essere disattivate nei periodi di minor richiesta di energia, e hanno i bacini di accumulo, utilizzano gli stessi generatori di corrente, utilizzati come motori elettrici, per alimentare le pompe che sollevano l’acqua dal bacino inferiore al bacino superiore.

accumulo di energia in una struttura chimica

L’energia in eccesso, è utilizzata per far ruotare un dispositivo meccanico (volano).

Il sistema, è costituito da una massa ruotante contenuta in un contenitore sottovuoto e sostenuta da cuscinetti magnetici,  la velocità di rotazione è compresa tra 20.000 e 50.000 giri.

il sistema, ha rapporto capacità energetica/massa, rispetto alle tradizionali batterie al piombo.

Il funzionamento e semplice, sfrutta Il principio di conservazione della energia.

Quando ho energia in eccesso, alimento un motore che utilizzo per mettere in rotazione una massa; quando ho necessità di utilizzare l’energia, utilizzo lo stesso motore come generatore di corrente.

Maggiore è l’energia fornita, maggiore sarà la velocità di rotazione del dispositivo meccanico; quando recupero l’energia cinetica, la velocità di rotazione si riduce

.

L’energia cinetica accumulata è:

E = ½ Iω2

 

dove I, è il momento di inerzia della massa rispetto all'asse di rotazione e ω è la velocità angolare.

Poiché il momento d'inerzia di un sistema di particelle è proporzionale alla massa delle particelle ed al quadrato della distanza di queste dall'asse di rotazione rispetto al quale se ne voglia calcolare il momento d'inerzia, si ha che la capacità di accumulo di energia in un volano aumenta, oltre che con l'aumentare della massa, anche con il crescere della distanza di questa dall'asse di rotazione.

Riccardo Monti