1. Introduzione
Il sistema di accumulo a sabbia rappresenta una soluzione efficiente per immagazzinare energia termica generata da fonti rinnovabili. Utilizzando materiali comuni e non tossici come la sabbia silicea, questi sistemi forniscono un’alternativa sostenibile per il riscaldamento domestico e l’acqua calda sanitaria.
2. Principio di Funzionamento
2.1 Composizione e Funzionamento
Un accumulatore a sabbia è composto da un contenitore isolato termicamente riempito di sabbia silicea, attraverso cui viene fatta circolare aria riscaldata da resistenze elettriche, permettendo di immagazzinare energia sotto forma di calore. La sabbia ha una capacità termica elevata, che le permette di accumulare grandi quantità di calore a temperature elevate, spesso superiori a 500°C.
2.2 Motivazioni per l’Uso della Sabbia
La scelta della sabbia come mezzo di accumulo termico si basa su vari fattori chiave che la rendono particolarmente adatta a questo scopo:
- Alta Capacità Termica: La sabbia possiede una capacità termica elevata, il che significa che può immagazzinare grandi quantità di calore per ogni grado di aumento della temperatura. Questo rende la sabbia ideale per conservare energia termica in modo efficiente.
- Disponibilità e Costo: La sabbia è un materiale abbondante e economico. La sua ampie disponibilità e il basso costo la rendono una soluzione scalabile e accessibile per l’accumulo di energia termica su vasta scala.
- Stabilità Chimica e Fisica: La sabbia è chimicamente inerte e non reagisce con altri materiali o sostanze. Questo elimina il rischio di reazioni chimiche indesiderate durante il processo di accumulo di calore. Inoltre, resiste bene a cicli termici ripetuti senza degradarsi.
- Non Tossicità: Essendo un materiale naturale e inerte, la sabbia non presenta rischi di tossicità o pericolosità per l’ambiente o per la salute umana, a differenza di alcuni materiali usati nelle batterie chimiche.
- Semplicità di Gestione: La gestione della sabbia è relativamente semplice poiché non richiede precauzioni speciali per la sicurezza o la manipolazione, a differenza dei materiali pericolosi o tossici.
2.3 Tipi di Sabbia Utilizzati
Non tutti i tipi di sabbia sono uguali o altrettanto efficaci per l’uso negli accumulatori termici. Ecco alcuni dei tipi più comuni e le loro caratteristiche:
- Sabbia Silicea: È il tipo di sabbia più comunemente usato negli accumulatori di calore per la sua eccellente resistenza alle alte temperature e per la sua capacità termica relativamente alta. La sabbia silicea è ideale per applicazioni che richiedono lunga durata e stabilità termica.
- Sabbia di Quarzo: Un altro tipo di sabbia resistente al calore, con proprietà simili alla sabbia silicea ma generalmente con una purezza maggiore, che può essere vantaggiosa in certe applicazioni industriali dove la contaminazione da altri minerali deve essere minimizzata.
- Sabbia Basaltica: Anche se meno comune, la sabbia basaltica può essere usata per le sue eccellenti proprietà termiche e la sua maggiore densità, che può risultare in una maggiore capacità di accumulo di calore per unità di volume.
Questi tipi di sabbia sono scelti in base alle specifiche esigenze di ogni progetto, considerando fattori come la temperatura massima di esercizio, la durata del ciclo di vita desiderata, e le condizioni ambientali specifiche.
2.4 Leggi Fisiche Coinvolte
Il funzionamento degli accumulatori a sabbia si basa su principi fisici fondamentali quali la capacità termica, la conduzione e la convezione. La capacità termica (c) è una proprietà che quantifica l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un chilogrammo di materiale di un grado Celsius. La formula utilizzata per calcolare l’energia immagazzinata è:
E = m ⋅ c ⋅ ΔT
dove E è l’energia (in Joule), m la massa della sabbia (in kg), c la capacità termica specifica della sabbia (in J/kg °C), e ΔT la differenza di temperatura (in °C).
3. Esempio di Calcolo e Dimensionamento
3.1 Parametri di Base
Consideriamo una famiglia di quattro persone con un consumo medio per riscaldamento e acqua calda di circa 5.000 kWh all’anno per persona. L’energia totale annuale sarà quindi:
5.000 kWh/persona × 4 persone = 20.000 kWh
Convertiamo in Joule:
20.000 kWh × 3.600.000 J/kWh = 72.000.000.000 J
3.2 Dimensionamento del Silos
Utilizzando i parametri di calcolo discussi, dimensioniamo un silos che può contenere il fabbisogno annuale, assumendo una perdita di efficienza del 20% e che il sistema sia usato principalmente durante i mesi invernali (circa 180 giorni all’anno).
Energia necessaria giornaliera=72.000.000.000/180 giorni ≈ 400.000.000 J/giorno
Per immagazzinare circa 400.000.000 J in un giorno:
m = 400.000.000 J / (830 J/kg°C × 500 °C) ≈ 965 kg
3.3 Strati di Isolamento
Il silos sarà interrato e circondato da tre strati di isolamento:
- Lana di roccia: Elevata resistenza termica e protezione antincendio.
- Argilla espansa: Buon isolamento e leggerezza, utile per ridurre la pressione sulle strutture circostanti.
- Schiuma espansa: Ottima per sigillare il sistema, prevenendo perdite d’aria e umidità.
3.4 Grafici e Schematizzazione
Il grafico mostrato rappresenta la quantità totale di energia richiesta per il riscaldamento e l’acqua calda (in blu) e l’energia effettivamente utilizzabile (in rosso), considerando le perdite di efficienza nel tempo per un sistema di accumulo a sabbia. Come puoi vedere, le perdite influenzano significativamente la quantità di energia disponibile nel tempo, sottolineando l’importanza di un isolamento efficace e di una manutenzione adeguata del sistema.
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4. Aziende e Applicazioni Reali
4.1 Aziende Costruttrici
- Siemens Gamesa ha sviluppato un innovativo sistema di accumulo termico utilizzando sabbia riscaldata, denominato “Electric Thermal Energy Storage” (ETES). Questa soluzione è principalmente indirizzata a grandi applicazioni industriali.
- Magaldi Power offre il sistema “Magaldi Green Thermal Energy Storage” (MGTES) basato sull’uso di sabbia per l’accumulo di energia termica. Il sistema è pensato sia per applicazioni industriali che per la stabilizzazione della rete elettrica grazie all’utilizzo di fonti rinnovabili.
4.2 Aziende Utilizzatrici
- Enel Green Power collabora con Magaldi per implementare sistemi di accumulo di energia termica a sabbia, migliorando l’integrazione delle energie rinnovabili nei suoi processi produttivi e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili.
- Vattenfall, una delle principali aziende energetiche europee, ha implementato il sistema ETES di Siemens Gamesa in Germania per dimostrare l’efficacia dell’accumulo termico di energia in grande scala.
5. Confronto dei Costi
Per fornire un confronto dei costi, consideriamo l’investimento iniziale, i costi operativi e di manutenzione, e l’efficienza dei sistemi di accumulo a sabbia rispetto ai sistemi di accumulo chimico a batterie, sempre di tipo Termico.
5.1 Costi per Uso Domestico
- Sistema di Accumulo a Sabbia:
- Investimento Iniziale: Circa 2.000-3.000 euro per un sistema dimensionato per una famiglia di quattro persone.
- Costi Operativi e di Manutenzione: Bassi, principalmente per la verifica dell’isolamento e del sistema di trasferimento termico, stimati in circa 100 euro annui.
- Sistema di Accumulo Chimico a Batterie:
- Investimento Iniziale: Circa 5.000-7.000 euro per batterie di capacità comparabile.
- Costi Operativi e di Manutenzione: Mediamente più elevati, con necessità di sostituzione delle batterie ogni 5-10 anni e una manutenzione più frequente.
5.2 Costi per Uso Industriale
- Sistema di Accumulo a Sabbia:
- Investimento Iniziale: A seconda delle dimensioni, i costi possono variare da 100.000 a 500.000 euro.
- Costi Operativi e di Manutenzione: Relativamente bassi rispetto ai sistemi chimici, con la principale spesa legata all’energia elettrica per riscaldare la sabbia.
- Sistema di Accumulo Chimico a Batterie:
- Investimento Iniziale: I costi possono essere significativamente più alti, spesso superando il milione di euro per sistemi di grande capacità.
- Costi Operativi e di Manutenzione: Alti, con sostituzioni frequenti e costi energetici per la gestione delle batterie.
6. Conclusioni
I sistemi di accumulo a sabbia offrono una soluzione interessante sia per applicazioni domestiche che industriali, con vantaggi significativi in termini di costi e sostenibilità ambientale rispetto ai sistemi chimici a batterie. Questi sistemi rappresentano un’opzione promettente per la transizione verso un utilizzo più esteso delle energie rinnovabili, specialmente in contesti che richiedono grandi quantità di energia termica.
Chi ha buone doti di “fai da te”, consiglio la visione di questo video .