Per riscaldare una casa principalmente con l’energia solare, è necessario un accumulatore di calore per immagazzinare l’energia del sole estivo per i freddi mesi invernali. Questi accumulatori contengono solitamente diversi metri cubi di acqua e occupano quindi una parte considerevole del volume dell’edificio. Inoltre, anche con un isolamento ottimale, una parte dell’energia si perde nel corso dei mesi. Gli accumulatori di calore alla zeolite, che non presentano alcuni degli svantaggi dei sistemi convenzionali, sono considerati un concetto pionieristico per l’accumulo di calore di domani.
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- Che cos’è la zeolite?
- I campi di applicazione della zeolite
- Come funziona un accumulatore di calore alla zeolite
- Le sfide attuali: non è ancora la soluzione ideale
- La ricerca attiva dovrebbe garantire progressi anche nel settore
- La zeolite: un beneficio per il clima sotto molti punti di vista
Contenuto
Che cos’è la zeolite?
La zeolite sta diventando sempre più importante come mezzo di accumulo. Questo perché l’accumulo di calore deve funzionare nel modo più efficiente possibile, senza perdite e per lunghi periodi di tempo. La zeolite soddisfa questi requisiti.
La zeolite è un silicato cristallino che si è formato milioni di anni fa sotto la pressione della cenere vulcanica. La sua superficie è uniforme, a forma di reticolo, porosa e perforata. È attraversata da piccoli canali, crepe, depressioni, cavità e avvallamenti. I cationi e le molecole d’acqua sono incorporati nelle cavità. Sia i cationi che le molecole di H2O hanno una notevole capacità di scambio ionico grazie alla loro elevata mobilità. La dimensione dei canali nella struttura cristallina della zeolite è sufficiente per consentire il passaggio di molecole e ioni estranei. Grazie a questa proprietà, la zeolite è riconosciuta dalla scienza come un efficace scambiatore di ioni e accumulatore di calore.
Gli alluminosilicati cristallini sono presenti in numerose modificazioni in natura, ma possono anche essere prodotti sinteticamente.
Le aree di applicazione della zeolite
Esempi di applicazioni delle zeoliti naturali o sintetiche e delle loro modifiche si trovano in molti settori. La versatilità degli alluminosilicati cristallini è illustrata, tra gli altri, dal prodotto ZeolithMED. Grazie alle sue forti proprietà di legare e assorbire gli inquinanti, la zeolite ha anche la capacità di neutralizzare i radicali liberi (a base di ossigeno) nell’intestino. Di conseguenza, ha un effetto antiossidante. Sotto forma di polvere e capsule, la zeolite viene utilizzata nell’uomo per disintossicare l’organismo e dare sollievo al fegato.
Oltre che in campo medico, la zeolite viene utilizzata anche per separare le sostanze chimiche, nei riscaldatori ad accumulo di calore e come assorbitore di azoto nei grandi impianti industriali. Nella vita di tutti i giorni, la zeolite si trova come ingrediente nei detersivi e nei detergenti, dove da un lato favorisce il processo di asciugatura e dall’altro agisce come addolcitore dell’acqua. Alcune lavastoviglie, come la Siemens iQ500 speedMatic, dispongono ora di una funzione di asciugatura con zeolite. È disponibile anche nei negozi di animali per pulire o mantenere pulita l’acqua di acquari e laghetti.
La funzione di un accumulatore di calore alla zeolite
I sistemi di accumulo di calore a zeolite offrono un grande potenziale per fornire capacità di accumulo flessibili e di grandi dimensioni. Rispetto ai sistemi di accumulo di calore convenzionali sotto forma di serbatoi d’acqua, hanno una densità di accumulo significativamente più alta, da 200 a 300 kilowattora per metro cubo (kWh/m³), rispetto all’acqua che ha solo circa 60 kWh/m³. Inoltre, gli accumulatori termici a zeolite sono in grado di immagazzinare energia per anni senza alcuna perdita.
Gli accumulatori di calore a base di zeolite immagazzinano l’energia all’interno del materiale altamente poroso sotto forma di vapore acqueo adsorbito. Un’eccedenza temporanea di calore, ad esempio proveniente da un impianto solare termico in estate o da processi industriali che generano calore di scarto, poi richiesto per il riscaldamento in inverno, può essere utilizzata per asciugare il granulato di zeolite e caricare così l’accumulatore.
Aggiungendo vapore acqueo, l’energia di adsorbimento nella zeolite può essere rilasciata sotto forma di calore e quindi utilizzata per il riscaldamento. Durante lo stoccaggio, l’energia non è disponibile sotto forma di calore, evitando così le inevitabili perdite striscianti dovute alla dissipazione del calore. Di conseguenza, sono possibili intervalli di accumulo più lunghi rispetto all’accumulo diretto di calore (sensibile).
Sfide attuali: non è ancora la soluzione ideale
Il trasferimento di calore tra il materiale di accumulo e lo scambiatore di calore è un problema del concetto di accumulo ad assorbimento che non è ancora stato risolto. Una carica e una scarica efficaci sono ostacolate dalle elevate resistenze al trasferimento di calore tra le strutture metalliche che assorbono e rilasciano il calore e la zeolite, disponibile sotto forma di granulato, nonché nel letto di zeolite stesso. I tentativi di applicare la zeolite direttamente come strato spesso su substrati metallici falliscono a causa della mancanza di stabilità del ciclo di questo composito metallo-minerale. Nei tubi metallici riempiti di zeolite, invece, il rapporto in volume tra materiale portante e materiale di accumulo è insoddisfacente.
Una soluzione per migliorare il trasferimento di calore tra il materiale di accumulo e lo scambiatore di calore può essere la forma della zeolite e il tipo di stratificazione del granulato di zeolite. Mentre i riempimenti realizzati con perle di zeolite hanno mostrato prestazioni termiche piuttosto scarse, i corpi stampati più complessi realizzati con zeolite senza leganti hanno mostrato risultati migliori. Ciò è dovuto principalmente all’architettura dei pori più aperta della parete a nido d’ape rispetto a quella delle perle di zeolite.
La ricerca attiva dovrebbe garantire progressi anche nell’industria
Una delle sfide future nel percorso della Germania verso la neutralità climatica e l’indipendenza dalle materie prime è garantire una fornitura di calore a zero emissioni di CO2 per gli edifici nuovi ed esistenti, indipendente dalle importazioni di petrolio e gas. Fornire alle aziende commerciali e di servizi calore rinnovabile a temperature superiori a 100 °C è attualmente quasi impossibile da realizzare con le tecnologie disponibili sul mercato.
In questo contesto, il 1° luglio 2023 prenderà ufficialmente il via il progetto «Adsorption heat storage for the commercial heat transition». È finanziato dalla Fondazione Carl Zeiss con 892.500 euro. L’obiettivo del progetto è quello di sviluppare un sistema di accumulo di calore a base di zeolite in grado di immagazzinare calore rigenerativo e di fornirlo a temperature rilevanti per l’industria, superiori a 100 °C. Calcoli di simulazione e test di laboratorio approfonditi serviranno a sviluppare la progettazione di un sistema di accumulo di calore a base di zeolite e a prepararne l’implementazione in un sito industriale. La determinazione dei parametri ottimali di ingegneria di processo e le analisi dei materiali sono parte integrante di questo progetto, così come l’indagine sulle caratteristiche di progettazione.
Il progetto è condotto in collaborazione tra l’EAH di Jena (gruppo di lavoro sulle energie rinnovabili e sullo stoccaggio e gruppo di lavoro sulle ceramiche funzionali) e l’Università di Stoccarda (Istituto per i sistemi energetici degli edifici, ingegneria termica e stoccaggio dell’energia). Si può ipotizzare che i risultati della ricerca avranno un impatto positivo anche sui sistemi di accumulo di calore alla zeolite per l’alimentazione delle abitazioni private.
La zeolite: un beneficio per il clima in più di un senso
In base a un’intensa attività di ricerca, la zeolite ha il potenziale per ridurre in modo significativo il fabbisogno energetico globale per il riscaldamento e quindi per preservare risorse preziose. Tuttavia, un nuovo processo di rimozione della CO2 dall’aria ambiente sviluppato dall’istituto di ricerca norvegese Sintef mostra quanto possa essere esteso l’uso futuro della zeolite.
La zeolite, come base centrale del processo, attira magicamente il gas serra e lo immagazzina nei suoi pori. Sintef ha molti anni di esperienza con le zeoliti e le tecnologie che utilizzano assorbitori microporosi. Il contenuto di CO2 nell’aria è molto basso, pari allo 0,04%. Per concentrare la CO2, l’aria viene prima essiccata e raffreddata. Viene poi fatta passare attraverso un letto di zeoliti dove viene arricchita. Una volta raggiunta una saturazione del 95%, la ceramica viene nuovamente «rigenerata». Durante questo processo, il gas serra viene nuovamente rilasciato e convogliato nell’acqua. Gli sviluppatori della tecnologia la iniettano in formazioni basaltiche sotterranee.
La miscela di CO2 e acqua si mineralizza nel giro di uno o due anni. Si trasforma in roccia che non rilascia più il gas immagazzinato. Il primo impianto previsto, che sarà costruito in Islanda, rimuoverà dall’atmosfera 1 milione di tonnellate di CO2 all’anno.
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