Il ruolo dei sali fusi, delle sabbie e dei materiali a cambiamento di fase nella conservazione dell’energia

di Marco Arezio

Lo stoccaggio termico rappresenta una delle sfide più rilevanti nella transizione energetica. A fronte di una produzione sempre più distribuita e intermittente – basti pensare al fotovoltaico e all’eolico – emerge la necessità di sistemi capaci di immagazzinare energia in forma di calore, per poi rilasciarla quando la domanda lo richiede.

In questo scenario, la ricerca scientifica degli ultimi anni ha portato alla sperimentazione e allo sviluppo di materiali e soluzioni innovative: dai sali fusi alle sabbie ad alta temperatura, fino ai materiali a cambiamento di fase (PCM, Phase Change Materials). Questi approcci non solo ampliano le possibilità di accumulo, ma offrono efficienza, durabilità e sostenibilità ambientale.

Sali fusi: accumulo ad alta temperatura

L’impiego dei sali fusi è oggi tra le soluzioni più consolidate per lo stoccaggio termico. Si tratta di miscele di nitrati e carbonati che, portate a temperature comprese fra 250 °C e 600 °C, sono in grado di accumulare grandi quantità di energia sotto forma di calore sensibile. Gli impianti solari a concentrazione (CSP, Concentrated Solar Power) hanno già dimostrato l’efficacia di questa tecnologia, con serbatoi che consentono di rilasciare energia termica per diverse ore anche in assenza di irraggiamento solare.

Dal punto di vista accademico, numerosi studi pubblicati negli ultimi cinque anni hanno approfondito la stabilità chimica dei sali, i problemi legati alla corrosione dei contenitori metallici e l’efficienza dei cicli di carico-scarico. I progressi nella ricerca hanno portato a nuove miscele meno corrosive e più economiche, migliorando la competitività di questi sistemi.

Sabbie come mezzo di accumulo low-cost

Un filone di ricerca particolarmente interessante è quello legato all’uso delle sabbie per lo stoccaggio termico. La sabbia è un materiale abbondante, economico e stabile a temperature molto elevate (fino a 1000 °C). Studi recenti hanno dimostrato che sistemi di accumulo basati su letti di sabbia possono costituire una valida alternativa ai sali fusi, soprattutto in contesti industriali che richiedono calore di processo ad alta temperatura.

Il principio è semplice: il calore viene immesso nel letto sabbioso attraverso resistenze elettriche o fluidi termovettori e può essere recuperato successivamente con scambiatori. La ricerca scientifica sta valutando le proprietà termiche della sabbia (conduttività, capacità di accumulo) e le modalità di contenimento ottimale, considerando anche la fluidodinamica interna dei granuli. In prospettiva, si tratta di una tecnologia che potrebbe offrire impianti più sostenibili, meno costosi e con una lunga vita utile.

Materiali a cambiamento di fase (PCM): l’accumulo latente

Tra le tecnologie più promettenti per lo stoccaggio termico, i materiali a cambiamento di fase (PCM, Phase Change Materials) occupano un posto centrale. A differenza dei sistemi basati sul calore sensibile – che accumulano energia aumentando semplicemente la temperatura del materiale – i PCM sfruttano il calore latente associato alla transizione di fase, tipicamente tra stato solido e stato liquido.

Questo significa che, durante la fusione, un PCM può assorbire una grande quantità di energia mantenendo pressoché costante la propria temperatura; allo stesso modo, durante la solidificazione, rilascia la stessa quantità di calore senza variazioni significative di temperatura.

Caratteristiche e tipologie di PCM 

Un PCM efficace deve possedere alcune proprietà chiave: una temperatura di transizione compatibile con l’applicazione, un’entalpia di fusione elevata per accumulare grandi quantità di energia, una buona stabilità ciclica (cioè capacità di mantenere prestazioni anche dopo migliaia di cicli di fusione/solidificazione) e un comportamento chimico sicuro e non corrosivo.

Le principali famiglie di PCM sono:

Organici: paraffine e acidi grassi, caratterizzati da buona stabilità e assenza di corrosività, ma con conduttività termica relativamente bassa e, talvolta, infiammabilità.

Inorganici: sali idrati ed eutettici inorganici, che offrono un’entalpia elevata e costi contenuti, ma possono soffrire fenomeni di superraffreddamento o separazione di fase.

Compositi e ibridi: materiali che combinano matrici polimeriche, fibre o nanoparticelle conduttive con PCM, al fine di migliorare la stabilità meccanica, aumentare la conduttività termica e ridurre il rischio di perdite nella fase liquida.

Integrazione nei sistemi di accumulo

L’applicazione dei PCM è estremamente versatile. In edilizia vengono integrati in pannelli, intonaci o rivestimenti per migliorare l’inerzia termica degli ambienti, contribuendo a ridurre i picchi di temperatura interna e quindi i consumi energetici per climatizzazione.

Nel settore industriale, i PCM sono impiegati per recuperare calore di processo e ridistribuirlo nei momenti di maggiore domanda.

Nei sistemi energetici, possono essere utilizzati come buffer in impianti solari termici e fotovoltaici, consentendo di prolungare l’erogazione di calore o elettricità anche in assenza di sole.

Altri campi di applicazione riguardano la catena del freddo per il trasporto alimentare e farmaceutico, la gestione termica di dispositivi elettronici e persino le batterie al litio, dove i PCM evitano surriscaldamenti improvvisi migliorando sicurezza ed efficienza.

Sfide e prospettive future

Nonostante i progressi, la diffusione su larga scala di queste tecnologie richiede ancora ulteriori sviluppi. I sali fusi devono affrontare il problema della corrosione e dei costi, le sabbie necessitano di sistemi di contenimento e scambio più efficienti, mentre i PCM devono garantire stabilità ciclica e compatibilità ambientale. Tuttavia, la direzione tracciata dalla ricerca è chiara: lo stoccaggio termico innovativo diventerà un pilastro della transizione energetica, affiancando le batterie elettrochimiche e le altre forme di accumulo.

Gli scenari futuri vedono una crescente integrazione di queste soluzioni nelle reti energetiche e negli impianti industriali, favorendo la decarbonizzazione dei processi e l’uso intelligente delle risorse. In prospettiva, la combinazione di più tecnologie – per esempio sali fusi e PCM – potrebbe generare sistemi ibridi ad alta efficienza, capaci di adattarsi a un ampio spettro di esigenze energetiche.

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