Esplorazione di soluzioni di accumulo di energia termica per edifici ad alta efficienza energetica

Immaginatevi 200 anni fa, in grado di raffreddare uno spazio o raffreddare cibi deperibili solo perché i blocchi di ghiaccio venivano tagliati dai laghi ghiacciati e poi trasportati attraverso il paese con vagoni ferroviari isolati fino a casa vostra. Una volta in casa, il ghiaccio si scioglie, assorbendo calore per cambiare la fase da solida a liquida, mantenendo la casa o il cibo freschi. L’acqua, quando congela, immagazzina questa capacità di raffreddarsi a causa della grande quantità di energia assorbita (durante la fusione) o di riscaldarsi rilasciando energia (durante il congelamento).

Le tecnologie per riscaldare e raffreddare gli edifici sono migliorate notevolmente, quindi perché gli scienziati stanno rivisitando questi processi di cambiamento di fase risalenti al 1800? Alcuni sostengono che potrebbe essere il biglietto d’oro per un futuro di energia pulita.

Fondato nel novembre 2022, Stor4Build è un consorzio multilaboratorio che lavora per accelerare lo sviluppo, l’ottimizzazione e l’equa diffusione di tecnologie di stoccaggio dell’energia termica (TES) economicamente vantaggiose per consentire agli edifici di funzionare in modo efficiente con fonti di energia rinnovabile.

Roderick Jackson, responsabile del programma di laboratorio per le tecnologie edilizie presso il National Renewable Energy Laboratory, modera una tavola rotonda Stor4Build. Foto di Werner Slocum, NREL

“La scienza alla base di TES può essere semplice quanto ciò che le persone facevano 200 anni fa”, ha affermato Tim LaClair, ricercatore senior presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL). “Tuttavia, oggi stiamo esplorando vari materiali, controlli, standard, integrazione edilizia e molto altro ancora per rendere i sistemi accessibili e garantire il comfort degli occupanti. Questa ricerca è un percorso vitale verso l’elettrificazione e la decarbonizzazione dei nostri edifici”.

Gli edifici rappresentano un grosso ostacolo al raggiungimento di equi obiettivi di decarbonizzazione a livello nazionale: circa il 50% del consumo di elettricità negli edifici statunitensi è destinato a soddisfare le esigenze di riscaldamento e raffreddamento. Allineare questo consumo di elettricità con la generazione di energia rinnovabile è l’obiettivo principale di Stor4Build.

Il consorzio sta studiando nuovi materiali e sistemi TES, che possono adattarsi quando il riscaldamento o il raffreddamento vengono creati, immagazzinati e forniti. Sfruttare la ricerca collaborativa TES aiuterà a livellare la domanda di picco di energia, a ridurre potenziali interruzioni della rete e a consentire un’elettrificazione degli edifici più economicamente vantaggiosa. TES si dimostra promettente nel rendere il processo di riscaldamento e raffreddamento degli edifici più gestibile, meno costoso, più efficiente e meglio preparato a gestire in modo flessibile l’energia proveniente da fonti energetiche rinnovabili per fornirla quando l’energia è maggiormente necessaria.

Che cos’è l’accumulo di energia termica?

I sistemi TES possono essere installati negli edifici in modo tale da consentire all’edificio di agire come una batteria termica. L’energia, potenzialmente proveniente da fonti rinnovabili come quella solare o eolica, viene immagazzinata in serbatoi o altri contenitori pieni di materiali – come ghiaccio, cera, sale o sabbia – per essere utilizzata in un momento diverso.

Som Shrestha, uno scienziato senior di ricerca e sviluppo presso il Building Technologies Research and Integration Center presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ha affermato che TES può ridurre significativamente la domanda di energia di picco per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell’aria negli edifici.

“Il tempo in cui l’energia termica utile è disponibile e il momento in cui l’edificio ne ha bisogno tipicamente non coincidono. Pertanto, i sistemi TES sono necessari per immagazzinare energia termica utile quando disponibile e utilizzarla per compensare la domanda di riscaldamento e raffreddamento quando necessario”, ha affermato Shrestha.

Shrestha ha anche spiegato come ORNL ha sviluppato un “involucro edilizio termicamente anisotropo”, in grado di raccogliere energia termica dall’involucro esterno e immagazzinarla in TES per un uso successivo.

La ricerca si sta riscaldando

“Anche se l’idea di TES esiste da molto tempo, si tratta di una ricerca tutta nuova”, ha affermato LaClair. “Stor4Build è uno sforzo concertato per intensificare gli sforzi dei laboratori nazionali, nonché dei partner dell’industria, del mondo accademico, delle comunità e altro ancora. Dobbiamo sviluppare il sistema di tecnologia integrata e consentire l’adozione sul mercato, non solo del materiale stesso”.

Stor4Build mira ad accelerare la crescita, l’ottimizzazione e l’implementazione di tecnologie di stoccaggio dell’energia termica economicamente vantaggiose a beneficio di tutte le comunità. Foto di Werner Slocum, NREL

LaClair ha affermato che gran parte del progresso del TES dipende dall’identificazione e dallo sviluppo dei materiali a cambiamento di fase necessari con un punto di fusione e congelamento vicino alla temperatura ambiente. Ciò significa che il materiale si congela quando la casa è leggermente più fredda del punto di fusione del materiale, rilasciando energia e riscaldando la casa, e si scioglierà quando la casa è leggermente più calda, assorbendo energia e raffreddando la casa. Ciò fornisce spazi interni più confortevoli che utilizzano meno elettricità per il riscaldamento e il raffreddamento.

“Se una famiglia vuole riscaldare la propria casa a 70°F, ad esempio, il sistema TES richiede un materiale che si sciolga e congeli entro quell’intervallo di temperatura”, ha aggiunto LaClair. “Diverse cere hanno naturalmente questo punto di fusione ma sono più costose. L’obiettivo è sviluppare e ottimizzare materiali di stoccaggio a bassissimo costo, come idrati di sale o materiali termochimici”.

Una nuova ricerca del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) include un progetto per sviluppare TES basati su materiali termochimici. Questi materiali possono teoricamente immagazzinare più energia termica rispetto ai materiali a cambiamento di fase caricandosi con l’energia solare o con l’elettricità in eccesso della rete, e poi scaricandola per fornire spazio termico e riscaldamento dell’acqua negli edifici.

“I nuovi sistemi avanzati di accumulo dell’energia termica, basati su materie prime abbondanti ed economicamente vantaggiose, possono soddisfare la domanda di carichi termici su periodi di tempo simili ai dispositivi di accumulo elettrochimici”, ha affermato Sumanjeet Kaur, responsabile del Thermal Energy Group di Berkeley Lab. “Ciò non solo allenterà parte della domanda di accumulo elettrochimico e libererà batterie, ma aumenterà anche la versatilità e l’efficienza dei sistemi di accumulo dell’energia negli edifici”.

LaClair ha aggiunto che un aspetto del lavoro del consorzio sarà quello di continuare lo sviluppo di nuovi materiali da integrare nel progetto o creare l’infrastruttura per utilizzare i materiali attuali per la dimostrazione.

I ricercatori di NREL e ORNL stanno esplorando progetti ibridi, intelligenza artificiale e apprendimento automatico per sviluppare un quadro per studiare il quadro più ampio. I modelli e gli strumenti di simulazione possono valutare il risparmio sui costi energetici, la riduzione dei picchi di carico e gli aggiornamenti necessari del ciclo di vita, quindi consigliare come ridurre ulteriormente i costi TES in tempo reale. Questi progressi possono aiutare a migliorare l’efficacia e l’accessibilità economica dei TES e dei sistemi di conversione e a superare gli ostacoli che ne impediscono l’adozione tradizionale.

Ulteriori informazioni su Stor4Build

Stor4Build comprende partecipanti attivi provenienti dall’industria, dai servizi pubblici, dalle organizzazioni no-profit, dalle comunità, dai proprietari di edifici, dal mondo accademico, dal governo e da altri istituti di ricerca.

Il lavoro trasversale attraverso Stor4Build è progettato per accelerare l’adozione su larga scala di soluzioni di stoccaggio dell’energia termica per tutte le comunità e la trasformazione del mercato. Illustrazione di Jessie Alexander, NREL

“La ricerca sull’energia termica è necessaria per la diffusione su larga scala delle energie rinnovabili, dell’elettrificazione e della decarbonizzazione degli edifici”, ha affermato Judith Vidal, responsabile del gruppo NREL Building Thermal Energy Science e co-direttore di Stor4Build. “Dobbiamo unire le forze e le competenze per far avanzare le soluzioni TES dal laboratorio al mercato a tutte le comunità”.

Il lavoro del consorzio è classificato in quattro aree di ricerca: ottimizzazione e produzione dei materiali; modellazione e analisi; ottimizzazione e integrazione del sistema; e mercato, politica ed equità. Due consigli direttivi (ricerca e sviluppo e adozione del mercato) supportano l’adozione su scala incentrata sull’equità delle tecnologie di stoccaggio dell’energia e la trasformazione del mercato per aumentare la sostenibilità del mercato.

Nell’ambito del suo piano quinquennale, Stor4Build mira a sviluppare, valutare e lanciare una dimostrazione su scala comunitaria dello spostamento aggregato del carico di picco di 50-100 kW, riducendo al contempo il consumo energetico per i carichi termici delle singole case di almeno il 50% , per una durata di 4–6 ore.

Finanziato dal Department of Energy Building Technologies Office, Stor4Build è co-gestito da NREL, Berkeley Lab e ORNL.

Contattare [email protected]; per ulteriori informazioni sulle modalità di collaborazione o per ricevere gli ultimi aggiornamenti del consorzio.

Di Ryan Horns, originariamente pubblicato su NREL