Nelle regioni chiave, sono state avviate iniziative governative per accelerare lo sviluppo di tecnologie di decarbonizzazione industriale, come la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCUS), le pompe di calore e l'accumulo di energia termica (TES), oltre ad altre tecnologie di elettrificazione più dirette. Nel suo nuovo rapporto di mercato, "Thermal Energy Storage 2024-2034: Technologies, Players, Markets, and Forecasts", IDTechEx prevede che entro il 2034 saranno installati oltre 40 GWh di capacità TES in tutto il settore.

Un mercato emergente per l'accumulo di energia termica

Le tecnologie di scambio termico (TES) sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni e mercati, come ad esempio in abbinamento a impianti solari a concentrazione (CSP), teleriscaldamento, catena del freddo e riscaldamento degli edifici. La loro penetrazione nel settore industriale è molto inferiore, con solo l'1% della capacità globale di TES rappresentata da sistemi installati in ambienti industriali. Poiché i governi cercano di ridurre le emissioni industriali per contribuire al raggiungimento di obiettivi più ampi di emissioni nette zero, si prevede che la percentuale di capacità globale di TES rappresentata da installazioni industriali aumenterà. Data l'ampia varietà di processi di riscaldamento industriale, è importante esaminare le diverse tecnologie di TES sviluppate dai principali attori e come la progettazione dei sistemi e i livelli di commercializzazione influenzeranno la loro adozione nell'industria.

Principali attori e tecnologie nel settore dell'accumulo di energia termica industriale

La maggior parte degli operatori industriali nel settore dell'accumulo di energia termica si trova in Europa, negli Stati Uniti e in Australia. Come evidenziato dal rapporto di mercato di IDTechEx, questi operatori stanno sviluppando e commercializzando sistemi di accumulo di energia termica sia a calore sensibile che a calore latente per applicazioni industriali, e la maggior parte ha già avviato progetti pilota o dimostrativi commerciali.

Mappa mondiale delle sedi centrali dei principali attori nel settore dell'accumulo di energia termica. Fonte: IDTechEx

In un sistema di accumulo termico a calore sensibile, un mezzo di accumulo termico, come sali fusi, calcestruzzo o mattoni refrattari, viene riscaldato a una temperatura più elevata, immagazzina questo calore fino al momento del bisogno e lo trasferisce a un processo industriale al momento dello scarico. Il calore può essere trasferito a un fluido termovettore (HTF), come acqua, aria o olio termico. Nei sistemi a calore latente, un materiale a cambiamento di fase (PCM), come una lega metallica o il silicio, viene riscaldato a temperatura costante per cambiare la sua fase da solida a liquida.

accumulo di energia termica tramite calore latente

I sistemi a calore latente possono offrire densità di accumulo energetico superiori rispetto ai sistemi a calore sensibile, poiché è necessaria una grande quantità di calore per far passare un materiale dallo stato solido a quello liquido. Questo può essere utile in ambito industriale, dove gli ambienti di produzione esistenti possono già essere soggetti a limitazioni di spazio. Un altro vantaggio dei sistemi a calore latente è la loro capacità di fornire calore a temperatura costante, poiché possono operare in condizioni isotermiche. Ciò è importante per i processi industriali che richiedono un apporto di calore a parametri operativi costanti, come temperatura, pressione e/o portata.

Tuttavia, il contenimento del PCM e la variazione delle proprietà del materiale su cicli prolungati sono fattori che richiedono ulteriore sviluppo affinché i sistemi a calore latente abbiano una durata maggiore o richiedano un minor numero di sostituzioni di materiali durante il loro ciclo di vita. Inoltre, il numero di attori chiave che sviluppano sistemi a calore latente è inferiore rispetto a quello dei sistemi a calore sensibile. Un esempio è l'azienda australiana 1414 Degrees, che sta sviluppando una tecnologia di accumulo di calore latente (TES) basata sul silicio. È probabile che, nel medio termine, questi fattori si traducano in un minor numero di implementazioni su scala commerciale di sistemi di accumulo di calore latente.

accumulo di energia termica tramite calore sensibile

Le tecnologie di accumulo di energia termica a sali fusi (TES) sono state ampiamente implementate nei circuiti di trasferimento del calore (HTC), il che ha probabilmente favorito la loro adozione commerciale nell'industria prima di altre tecnologie TES. Tuttavia, durante la scarica, la temperatura del fluido termovettore utilizzato nei sistemi a calore sensibile diminuisce, il che, senza un'adeguata progettazione del sistema, comporterebbe temperature fluttuanti nell'erogazione di calore a un processo industriale: una situazione che risulterebbe impraticabile o, quantomeno, indesiderabile.

I sistemi a sali fusi, come quelli sviluppati dall'azienda norvegese Kyoto Group, possono risolvere questo problema grazie all'integrazione di circuiti di ricircolo continuo, che mantengono il sale entro il suo intervallo di temperatura di esercizio, fornendo al contempo calore a temperatura costante a un processo industriale. Uno dei principali svantaggi degli scambiatori di calore a sali fusi è l'impossibilità di immagazzinare calore a temperature superiori a 600 °C a causa della decomposizione del sale. Ciò limita l'applicazione di questa tecnologia, sebbene continuerà a essere richiesta per processi industriali a bassa e media temperatura, come l'essiccazione e il riscaldamento dei fluidi di processo.

I sistemi a calore sensibile a stato solido utilizzano materiali come calcestruzzo e mattoni refrattari e sono in fase di sviluppo da parte di aziende leader come EnergyNest e Rondo Energy. Un sistema a stato solido che fornisce aria calda a un processo potrebbe essere miscelato con un flusso d'aria ambiente o più fredda al momento dello scarico, con proporzioni variabili nel tempo in modo che l'aria venga fornita al processo a una temperatura costante. Tuttavia, ciò aumenterebbe la complessità e il costo del sistema. Ancora più importante, i sistemi a stato solido possono fornire calore a temperature superiori a 1.000 °C, il che sarà cruciale per la decarbonizzazione di alcuni processi di produzione di vetro, metallo e cemento.

Prospettive future per la tecnologia di accumulo di energia termica

Molte delle tecnologie di accumulo termico a stato solido in fase di sviluppo faticano ancora a fornire calore a temperature superiori a 1.300 °C a causa delle limitazioni nella stabilità meccanica e termica dei materiali. Per fornire calore a temperature costanti, potrebbe essere necessario miscelare fluidi più freddi con fluidi più caldi che escono dal sistema al momento dello scarico. Pertanto, sarà necessario sviluppare nuovi materiali o modificare le composizioni esistenti per decarbonizzare alcune delle applicazioni di riscaldamento industriale ad altissima temperatura, inclusi alcuni processi di trattamento termico e fusione dei metalli. Un'azienda chiave, la statunitense Electrified Thermal Solutions, sta sviluppando una tecnologia di accumulo termico che utilizza mattoni ceramici elettricamente conduttivi. La composizione chimica di questi mattoni è stata modificata in modo che possano assorbire elettricità come fonte di energia e funzionare come elemento riscaldante, immagazzinando il calore generato dall'elettricità. Un forno potrebbe essere costruito utilizzando questi mattoni per fornire calore radiante direttamente a un processo, potenzialmente fino a 1.800 °C. Ciò consentirebbe la decarbonizzazione dell'atmosfera. Ciò consentirebbe la decarbonizzazione di alcuni dei processi di riscaldamento industriale più estremi che si verificano nelle industrie metallurgiche e del vetro.

Inoltre, in futuro le tecnologie di accumulo di energia termochimica (TCES) potrebbero affermarsi sul mercato. Queste tecnologie sfruttano l'adsorbimento (sorbimento o assorbimento) tra due materiali o reazioni chimiche per immagazzinare energia sotto forma di potenziale chimico. Questi sistemi presentano densità energetiche teoriche più elevate e minori perdite di calore nel tempo rispetto ai sistemi a calore latente e a calore sensibile. Ciò potrebbe renderli adatti per future applicazioni di accumulo energetico residenziale e stagionale. Sono stati realizzati diversi prototipi TCES, sebbene l'elevato numero di combinazioni di materiali che potrebbero essere teoricamente utilizzate in questi sistemi possa rappresentare un ostacolo allo sviluppo commerciale di qualsiasi tecnologia TCES. Per portare queste tecnologie sul mercato sono necessari perfezionamento, maggiore sensibilizzazione e finanziamenti.

Accumulatore di energia termica LCR per applicazioni industriali. Fonte: IDTechEx

Nel prossimo decennio, come suggerisce il rapporto di mercato IDTechEx, si prevede che i sistemi a calore sensibile domineranno il mercato industriale dei sistemi di accumulo termico (TES). L'utilizzo di materiali abbondanti ed economici, unito alla capacità di erogare calore a oltre 1.000 °C nel caso dei sistemi a stato solido, li rende tecnologie adatte a un'ampia gamma di applicazioni di riscaldamento industriale. Si prevede un ulteriore sviluppo delle tecnologie a calore latente e TCES per il riscaldamento industriale decarbonizzato, sebbene mercati e applicazioni più ampi potrebbero beneficiare dell'utilizzo di questi sistemi, che offrono densità energetiche più elevate.

Autore: Conrad Nichols, analista tecnologico senior presso IDTechEx