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Realizzazione di impianto dimostrativo di piccola taglia per l’accumulo termochimico

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Realizzazione di impianto dimostrativo di piccola taglia per l’accumulo termochimico

Il presente rapporto riporta i risultati relativi all’attività di accumulo termochimico avanzato. In tale contesto, è stato progettato e realizzato un sistema di movimentazione del sorbente dal reattore ai serbatoi di stoccaggio del materiale, ad integrazione della postazione per prove di accumulo già esistente. Questa configurazione impiantistica ha lo scopo di stoccare l’intero quantitativo di materiale necessario per soddisfare il carico termico stagionale nei serbatoi e di convogliarne, da qui al reattore, solo la piccola frazione necessaria a breve termine, rendendo il reattore stesso più compatto. È stato poi sviluppato un modello matematico del reattore di accumulo, validato mediante test sperimentali. Infine, è stato modellato il processo completo, costituito da un edificio, riscaldato da un reattore termochimico ad integrazione di una caldaia tradizionale, allo scopo di dimostrare la fattibilità del processo.

L’accumulo termochimico (TCM), e più in generale l’accumulo ad alta densità di energia (TCM e a cambiamento di fase, PCM), costituisce una tecnologia molto promettente per la gestione della domanda di energia, soprattutto nell’ottica di sfruttare le energie rinnovabili aventi andamenti non programmabili e variabili sia nel breve che nel lungo periodo (stagioni).
Nel corso delle precedenti LA.4.01 e LA.4.02, è stato costruito un impianto sperimentale per prove di accumulo/rilascio di vapore, e quindi di calore, per testare fino a 6 kg di materiale. Su tale impianto è stata effettuata una prima campagna sperimentale, utilizzando come sorbente le zeoliti 13X, che costituiscono uno dei materiali più ampiamente studiati per le applicazioni di accumulo stagionale di calore, per via della loro buona attività ed elevata stabilità. Parallelamente al lavoro sulle zeoliti, è stato svolto lo sviluppo di materiali ad alta densità di energia a base di solfato di magnesio supportato su allumina. La porosità del supporto è stata ottimizzata in modo da ospitare, da una parte, una elevata quantità di fase attiva, in modo da avere alte densità di energia, e da garantire, dall’altra, una buona diffusione del vapore all’interno dei pori. Il miglior materiale ottenuto ha una densità di energia di 188 kWh/m3, superiore a quella caratteristica delle zeoliti (120 kWh/m3), e presenta macropori di diametro pari a 1 micron. Il confronto in termini di prestazioni di tale materiale macroporoso con un materiale microporoso avente lo stesso carico di sale, e quindi la stessa densità di energia, hanno evidenziato che il sorbente macroporoso è caratterizzato da un incremento massimo di temperatura, dovuto alla reazione, più elevato. Questo risultato ha messo quindi in evidenza che, ai fini applicativi, oltre al carico di sale e alla porosità di materiale, che determinano la densità di energia che si ha a disposizione, anche il diametro dei pori è un parametro di notevole importanza perché influenza la modalità con cui il calore viene rilasciato: pori di maggiori dimensioni consentono un maggiore innalzamento della temperatura di reazione, a parità di tempo, e quindi potenze più elevate e un rilascio di calore più rapido.
Sebbene l’ottenimento di materiali ad alta densità di energia sia un aspetto fondamentale nello sviluppo di un sistema termochimico per il soddisfacimento dei carichi termici residenziali, esso da solo non può garantire delle prestazioni efficienti da un punto di vista applicativo. Parallelamente allo sviluppo di materiali, è infatti importante considerare anche il design del reattore che deve garantire basse dispersioni del calore rilasciato, buone proprietà di trasferimento di materia e di calore e la fornitura della potenza termica richiesta. A tale proposito, in letteratura vengono riportate due tipologie di reattori, impiegate per l’accumulo termochimico: i reattori integrati e i reattori separati. Nei reattori integrati, le reazioni di idratazione e di disidratazione avvengono nel medesimo vessel, che contiene l’intero quantitativo necessario a soddisfare il carico termico stagionale, mentre nei reattori separati le reazioni di assorbimento e di desorbimento hanno luogo nello stesso vessel in maniera ciclica, secondo la seguente modalità: le reazioni di assorbimento (inverno) e di rigenerazione (estate) vengono condotte in un reattore di dimensioni contenute mentre l’intero quantitativo di materiale fresco anidro, necessario a coprire fino all’intero fabbisogno termico, è stoccato in un serbatoio dedicato. Anche tutto il materiale esausto ed umidificato viene stoccato in un secondo serbatoio apposito. L’esatto quantitativo di materiale necessario al reattore per le reazioni di assorbimento o desorbimento deve essere prelevato da uno dei due serbatoi (serbatoio del materiale essiccato durante l’inverno e del materiale umidificato durante l’estate) e convogliato nel reattore. Da qui, una volta terminata la reazione, deve essere scaricato e convogliato nell’altro serbatoio. Il processo viene ripetuto ciclicamente fintanto che il serbatoio da cui si preleva risulta vuoto. Ne consegue la necessità di operare continuamente la movimentazione del sorbente tra reattore e serbatoi di stoccaggio.
Il sistema a reattori separati, seppur l’impianto sia più complesso di quello a reattori integrati, rappresenta una soluzione molto promettente per l’applicazione dell’accumulo termochimico su larga scala. Il fatto di avere un reattore più piccolo comporta infatti un vantaggio in termini di un migliore controllo del processo e di minori perdite di carico del letto e, oltretutto, le dimensioni compatte del reattore consentono di collocarlo laddove vi è spazio. In quest’ottica, nel corso della LA.4.03 è stato progettato e realizzato un sistema di movimentazione dei pellets per accumulo termochimico, installato ad integrazione dell’impianto di prova realizzato nelle LA precedenti. Tale sistema è dotato di due serbatoi, per lo storage del materiale anidro e del materiale idrato, e di un unico reattore in cui condurre le reazioni di idratazione e di disidratazione del materiale. Lo spostamento del materiale tra il reattore e lo storage viene effettuato mediante trasporto pneumatico. Parallelamente, nel corso della LA4.03 è stata completata l’attività di modellazione del reattore di accumulo termochimico presente sull’impianto. Il modello ottenuto è stato validato mediante dei cicli di assorbimento/rigenerazione effettuati sull’impianto di prova. Infine, è stato proposto uno schema di impianto, in grado di includere tutti gli aspetti trattati nel corso del triennio e di rappresentare come il sistema proposto possa essere interfacciato con un edificio di tipo residenziale per il soddisfacimento dei relativi carichi termici. Il funzionamento del sistema proposto è stato simulato in ambiente Trnsys durante un’intera stagione invernale, allo scopo di evidenziare il soddisfacimento dei livelli di confort dell’abitazione, di calcolare i consumi degli ausiliari del processo e di identificare le condizioni operative in grado di ridurre tali consumi.

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