Fotovoltaico e calore, l’invenzione italiana per avere energia anche di notte

La vera sfida di chi si affida al fotovoltaico non è tanto produrre abbastanza energia, quanto riuscire a utilizzarla quando serve davvero. Durante le ore centrali della giornata i pannelli solari possono generare più elettricità di quella richiesta in casa, mentre al tramonto la produzione finisce fino a fermarsi, proprio quando i consumi domestici aumentano.

Oltre alle batterie domestiche, sempre più comuni, una possibile risposta a questa problematica arriva dall’Università dell’Aquila, dove un gruppo di ricercatori ha studiato un sistema che, anziché conservare direttamente l’energia, la trasforma in calore. Proprio grazie a questo passaggio nasce un sistema pensato per far arrivare l’energia prodotta dal sole anche nelle ore notturne, quando il fotovoltaico non può più produrla.

Come funziona il sistema che accumula energia sotto forma di calore?

Il progetto dell’Università dell’Aquila si basa sulla batteria di Carnot reversibile, un particolare sistema di accumulo che utilizza il calore come forma intermedia per conservare l’energia.

A differenza delle batterie di accumulo tradizionali, che immagazzinano l’energia attraverso reazioni elettrochimiche e la restituiscono sotto forma di elettricità, nella batteria di Carnot l’elettricità prodotta dai pannelli solari può essere utilizzata per alimentare una pompa di calore, che trasferisce energia termica all’acqua contenuta in un serbatoio.

Quando c’è produzione fotovoltaica in eccesso, il sistema entra nella fase di carica. L’energia in eccesso alimenta il compressore della pompa di calore, che permette di riscaldare progressivamente l’acqua. Il calore rimane così accumulato nel serbatoio e può essere utilizzato successivamente, quando la produzione dei pannelli diminuisce.

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A questo punto il funzionamento si inverte. Il calore accumulato nell’acqua viene trasferito a un fluido che può evaporare a una temperatura relativamente bassa. Una volta trasformato in vapore, il fluido si espande e mette in movimento la stessa macchina che precedentemente aveva funzionato come compressore. In questa seconda fase la macchina lavora quindi come un espansore e il movimento viene utilizzato per generare nuovamente energia elettrica.

Come il calore torna a diventare elettricità?

La fase in cui il sistema restituisce l’energia accumulata, cioè la fase di scarica, si basa sul ciclo Rankine organico (ORC). Si tratta di un principio relativamente semplice, nel quale il calore viene utilizzato per far evaporare un liquido, il vapore così prodotto mette in movimento una macchina e quel movimento viene trasformato nuovamente in elettricità.

La differenza rispetto ai tradizionali impianti a vapore sta nel liquido utilizzato. Nel ciclo di Rankine convenzionale è l’acqua a essere trasformata in vapore, mentre nell’ORC viene utilizzato un fluido organico capace di evaporare a temperature più basse. In questo modo è possibile sfruttare anche fonti di calore che non raggiungono temperature abbastanza elevate per alimentare un normale ciclo a vapore.

Quanta energia può accumulare il sistema?

Per verificare il funzionamento del sistema, i ricercatori hanno simulato il comportamento di un impianto fotovoltaico domestico installato in Italia centrale con 60 metri quadrati di pannelli, prendendo come riferimento il mese di gennaio. Sono stati confrontati tre serbatoi da 8.000, 12.000 e 16.000 litri, individuando nel primo la configurazione più adatta al modello. Qui l’acqua può essere riscaldata fino a quasi 100 °C e il calore può essere utilizzato successivamente per produrre elettricità.

Nella simulazione, l’energia fotovoltaica in eccesso veniva accumulata soprattutto tra le 6 e le 15. Durante la fase di restituzione dell’energia, i ricercatori hanno poi ridotto la velocità dell’espansore da circa 1.900 a 1.000 giri al minuto. In questo modo il calore veniva utilizzato più lentamente e il sistema riusciva a produrre elettricità per un periodo più lungo.

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Con questa configurazione, la batteria di Carnot poteva funzionare per circa nove ore, coprendo il consumo elettrico giornaliero dell’abitazione considerata nella simulazione e lasciando un surplus di circa 1,5 kWh.

Ovviamente durante le fasi di accumulo e restituzione dell’energia parte di questa viene persa. Secondo la simulazione , il rapporto tra l’energia elettrica utilizzata nella fase di carica e quella recuperata nella fase di scarica ha raggiunto il 35%. Dunque, ogni 100 kWh di elettricità utilizzati per accumulare energia sotto forma di calore, il sistema è riuscito a restituire circa 35 sotto forma di elettricità.

Il sistema è pronto per l’uso domestico?

Per il momento il sistema dell’Università dell’Aquila è stato studiato attraverso una modellazione computerizzata, e non attraverso una batteria di Carnot installata e testata in un ambiente domestico. Prima di poter arrivare a un’applicazione concreta è necessario capire come ridurre e adattare il sistema alle esigenze reali delle abitazioni.

I ricercatori dovranno ora studiare il funzionamento della batteria durante tutto l’anno e verificare come cambiano le prestazioni al variare della superficie dei pannelli e degli altri parametri dell’impianto.