Zeoliti utilizzate come accumulo di energia.
Immagazzinare calore in un materiale allo stato solido. Come funziona l'accumulo termico basato su zeoliti, a che punto è la tecnologia e come forniamo zeoliti, dai lotti di laboratorio alla scala pilota.
Perché i zeoliti sono interessanti per lo stoccaggio di energia.
La maggior parte della nostra energia si trasforma in calore e una grande parte di quel calore viene persa nel momento in cui viene prodotto. Calore di scarto da forni, motori a biogas, inceneritori, centri dati o altre strutture industriali spesso va su per il camino perché nessuno ne ha bisogno in quel momento. Lo stoccaggio basato su zeoliti può essere un modo per trattenerlo.
Spesso utilizzati come essiccanti nei processi di essiccazione industriale, i zeoliti (noto anche come setacci molecolari) sono materiali altamente porosi che assorbono molecole d'acqua. Queste molecole si attaccano alle superfici interne del materiale – proprio come piccoli magneti – e rilasciano calore nel processo. Per tutti coloro che hanno prestato attenzione in classe di chimica: questo è un processo esotermico.
Questo rilascio di calore durante l'assorbimento è la chiave per utilizzare i setacci molecolari come base per lo stoccaggio di energia termica.
Come funziona.
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Carica
Le zeoliti contengono naturalmente acqua. Per espellerla dai pori e asciugare la zeolite si utilizza aria calda o vapore. Il calore impiegato per raggiungere questo «stato secco» viene quindi immagazzinato sotto forma di potenziale chimico.
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Stocca
Finché la zeolite rimane asciutta, l'energia resta immagazzinata al suo interno. Non è necessario alcun isolamento e non si verifica alcun autoscaricamento, nemmeno dopo lunghi periodi di tempo.
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Scarica
Quando c'è bisogno di calore, il vapore acqueo fluisce attraverso il zeolite. L'acqua si lega di nuovo e il calore immagazzinato viene rilasciato.
Perché gli sviluppatori si interessano alle zeoliti.
Circa tre o quattro volte il calore dell'acqua per volume, quindi le unità di stoccaggio diventano molto più piccole.
Il calore immagazzinato non si disperde, il che rende realistica la conservazione per settimane o mesi. Questo è il principale vantaggio rispetto ai serbatoi d'acqua e ai materiali a cambiamento di fase.
I contenitori caricati possono spostarsi dalla fonte di calore di scarto a un consumatore altrove. Questo è stato dimostrato con un impianto di incenerimento dei rifiuti e un mulino in Germania.
Lo stesso effetto di adsorbimento è utilizzato per lo stoccaggio, le pompe di calore e il raffreddamento a calore.
A che punto è la tecnologia.
Lo stoccaggio di calore con zeolite è reale, ma è ancora presto.
Le evidenze odierne provengono da dimostratori di ricerca, ad esempio un'unità da 150 kWh presso il Fraunhofer IKTS e contenitori mobili in un progetto pilota industriale tedesco che ha raggiunto un'efficienza complessiva del 78%. Lo stoccaggio solare stagionale è stato testato con Vaillant nel progetto COMTES dell'UE.
Rimangono domande aperte: costo del sistema, trasferimento di calore all'interno del letto e stabilità del ciclo per migliaia di cicli. Quale materiale entra nel reattore è uno dei maggiori leve su tutti e tre.
Eppure, il potenziale è enorme. Poiché la domanda di energia continua a crescere, in particolare in strutture ad alto consumo energetico come i data center, l'accumulo di energia termica potrebbe contribuire a recuperare e riutilizzare il calore di scarto, rendendo i processi industriali più efficienti dal punto di vista energetico.
Che tipo di zeolite è necessaria?
Per lo stoccaggio, una zeolite è valutata su criteri diversi rispetto all'adsorbimento convenzionale:
Assorbimento d'acqua utilizzabile all'interno della tua attuale finestra di temperatura
Calore di adsorbimento per chilogrammo
Temperatura di rigenerazione, che decide quale fonte di calore può caricarla
Stabilità del ciclo sotto idratazione e disidratazione ripetute
Forma e dimensione (sferette, pellet), perché la caduta di pressione e il trasferimento di calore nel letto dipendono da esse
Resistenza meccanica, per evitare l'usura e la polvere su molti cicli
Legante o senza legante?
La maggior parte degli zeoliti utilizzati industrialmente contiene leganti. Agiscono come colla per tenere insieme le strutture cristalline quando vengono formati in perle o pellet. In cambio, viene ceduta una piccola quantità di capacità di adsorbimento, poiché i leganti sono solitamente componenti inattivi.
Le zeoliti prive di legante sono pertanto meno stabili dal punto di vista strutturale, ma offrono migliori proprietà di adsorbimento e capacità operative più elevate.
Maggiore capacità = più energia immagazzinata
GIEBEL Zeoliti.
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FAQ - le tue domande, risposte.
I gruppi di ricerca segnalano circa tre o quattro volte tanto calore per volume. Ciò significa un'unità di stoccaggio molto più piccola per la stessa energia. La cifra esatta dipende dallo zeolite, dalle temperature e dal design del sistema.
No, non nel senso abituale. Il calore è trattenuto fisicamente, quindi uno zeolite secco mantiene la sua energia finché rimane lontano dall'umidità. Secondo studi, questi sistemi sono in grado di immagazzinare calore per mesi senza alcuna perdita significativa di efficienza di base.*
*Istituto Fraunhofer, Stoccaggio termico per la transizione energetica (2021)
Dipende dalla zeolite e dal sistema. I dimostratori hanno utilizzato calore di scarto e calore solare, e alcuni progetti stanno lavorando sulla ricarica con calore a bassa temperatura sotto i 100 °C. Dicci la tua fonte di calore e possiamo discutere quali tipi di zeolite valga la pena testare.
Non è ancora su scala. Ci sono dimostratori funzionanti in fase di test, ma i costi, il trasferimento di calore nel letto e la stabilità del ciclo a lungo termine sono ancora in fase di sviluppo.
I candidati comuni nei lavori pubblicati includono 13X e tipi NaY. La scelta dipende dalla tua finestra di temperatura, dal numero di cicli e dal design del reattore. Possiamo fornire campioni in modo che tu possa testarli sul tuo impianto.