Secondo i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, l’energia immagazzinata nei materiali termochimici può riscaldare efficacemente gli spazi interni, in particolare nelle regioni umide.
Lavorando con rappresentanti dell’industria e ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory, gli scienziati hanno determinato una configurazione realistica per l’integrazione dei materiali termochimici (TCM) nel sistema HVAC di un edificio. I TCM a base di sale idrato sono considerati candidati promettenti per fornire flessibilità di carico al sistema di riscaldamento di un edificio. Questa flessibilità potrebbe consentire di ridurre il fabbisogno elettrico del sistema di riscaldamento o di spostare il carico verso periodi in cui l’elettricità è meno costosa e/o più pulita.
Il TCM viene scaricato e caricato rispettivamente attraverso reazioni di idratazione e disidratazione. L’idratazione del sale rilascia calore, che viene utilizzato per riscaldare l’edificio, mentre in altri momenti della giornata è necessario calore extra dalla pompa di calore per disidratare o caricare il TCM. Ciò significa che il reattore deve interagire con il vapore acqueo. Questo vapore acqueo potrebbe provenire direttamente dall’aria ambiente, nel qual caso il TCM è un sistema aperto. Oppure il TCM potrebbe trovarsi in una camera isolata, priva di aria, nota come sistema chiuso. In questo caso, il vapore acqueo proviene dall’evaporazione dell’acqua liquida da una seconda camera.
I sistemi aperti sono più semplici ma rappresentano una sfida durante l’inverno. Il vapore acqueo è generalmente scarso e l’utilizzo dell’aria interna per guidare la reazione di idratazione può ridurre l’umidità dell’edificio a un livello scomodo mentre l’aria fredda esterna contiene un’umidità limitata.
“Grazie al modo in cui abbiamo integrato il reattore nell’edificio, siamo in grado di farlo senza seccare la casa”, ha affermato Jason Woods, un ingegnere ricercatore senior presso l’Advanced Building Equipment Research Group del NREL e coautore del nuovo articolo su questo argomento. “È importante pensare alla provenienza dell’umidità, perché le prestazioni possono essere influenzate in modo significativo in base al modo in cui è integrata.”
L’articolo, “Stoccaggio di energia termochimica a ciclo aperto per il riscaldamento degli ambienti degli edifici: configurazioni pratiche del sistema e densità di energia effettiva”, appare nel numero di dicembre della rivista Energia applicata. I collaboratori di Woods sono Yi Zeng e Adewale Odukomaiya, entrambi della NREL. Altri coautori provengono da Lawrence Berkeley e NETenergy LLC, una società di Chicago.
La ricerca, finanziata dall’Ufficio per le tecnologie edilizie del Dipartimento dell’Energia, è nata dalle priorità di finanziamento stabilite dall’ufficio nel 2019 per quanto riguarda lo stoccaggio dell’energia termica. Gli edifici richiedono una notevole energia per riscaldarsi e raffreddarsi, quindi lo stoccaggio dell’energia termica offre l’opportunità di spostare e modellare il carico elettrico. Ciò supporta la decarbonizzazione allineando il funzionamento della pompa di calore elettrica con i tempi in cui è disponibile energia a basse emissioni di carbonio.
I ricercatori hanno esaminato le prestazioni termiche di un reattore TCM alimentato da cloruro di stronzio, che emette calore quando reagisce con il vapore acqueo presente nell’aria. Hanno considerato una vasta gamma di climi e tipi di edifici, hanno esaminato diverse configurazioni e hanno prestato particolare attenzione alla fonte del vapore acqueo. La ricerca ha utilizzato la modellazione computerizzata che è stata poi verificata da dati sperimentali.
La configurazione con i migliori risultati ha consentito al reattore TCM di riscaldare l’aria in uscita dall’edificio, che ha la stessa temperatura e umidità dell’aria interna. Una volta riscaldata, l’aria riscalda indirettamente la ventilazione in entrata tramite uno scambiatore di calore. Ciò impedisce al reattore di deumidificare l’aria interna e fornisce un livello di umidità sufficiente. Oltre a compensare l’energia necessaria per riscaldare l’aria di ventilazione necessaria, l’aria può essere riscaldata al di sopra della temperatura interna, riducendo l’energia richiesta da un forno o da una pompa di calore per mantenere la temperatura interna.
Questa configurazione, tuttavia, funziona solo per gli edifici che hanno la ventola dell’aria di scarico situata vicino alla ventilazione in entrata. Woods ha affermato che il reattore non è destinato a sostituire una pompa di calore o un forno, ma a immagazzinare energia per un utilizzo successivo.
Nel modellare il reattore TCM, i ricercatori hanno ipotizzato che la temperatura interna fosse di 21 gradi Celsius (69,8 gradi Fahrenheit). L’umidità relativa si è rivelata il fattore chiave che ha influenzato le prestazioni del reattore. Hanno calcolato quanto bene il reattore avrebbe funzionato in quattro climi: Atlanta, New York, Minneapolis e Seattle. Tra queste città, il reattore avrebbe le prestazioni peggiori a Minneapolis a causa del clima più freddo e secco in inverno.
“C’è poca umidità nell’aria fredda, quindi l’umidità all’interno è inferiore ed è più difficile guidare la reazione della MTC”, ha detto Woods.
Con la sua maggiore umidità, un reattore TCM a Seattle avrebbe una prestazione termica più elevata, hanno calcolato i ricercatori.
Oltre a considerare una casa unifamiliare, la ricerca ha anche esaminato il funzionamento della tecnologia nella hall di un piccolo hotel, in un edificio per uffici di medie dimensioni e nelle stanze dei pazienti ospedalieri. Il costo marginale del capitale per un sistema TCM diminuisce all’aumentare delle dimensioni dell’edificio, con il costo livellato di stoccaggio (LCOS) stimato inferiore a 10 centesimi per kilowattora.
Andando avanti, i ricercatori continueranno a far avanzare questa tecnologia. Il basso LCOS indica che la tecnologia ha un percorso fattibile verso la commercializzazione, ma è necessario ulteriore lavoro per quantificare i costi di produzione, integrazione, imballaggio e installazione del reattore. Per rendere questa tecnologia economicamente vantaggiosa sarà necessario affrontare ciascuno di questi costi. I ricercatori stanno anche esplorando altre opzioni per integrare le MTC nei sistemi HVAC, compresi i sistemi a ciclo chiuso sopra menzionati. Questi sistemi non sono vincolati dall’umidità ambientale ma presentano una serie di sfide separate che sperano di risolvere con ulteriori ricerche.
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