Analisi LCA della produzione di aggregati innovativi per l'accumulo termico

RIASSUNTO
Le tecnologie e le soluzioni per l'accumulo di energia costituiscono, oggigiorno, il più recente fronte d'interesse della ricerca per fronteggiare l'incremento del fabbisogno energetico, coniugando l'urgenza di contenere le emissioni di gas serra e gli inquinanti. In particolare, l'accumulo di energia termica, oggetto del presente lavoro, spicca per versatilità e fattibilità economica, proponendo un gran numero di tecnologie, soluzioni e combinazioni per l’integrazione con gli impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili già esistenti.
Questo lavoro tratta i materiali per accumulo termico, con particolare attenzione ai materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials, PCM), per accumulo di calore latente, ed il loro possibile inglobamento in calcestruzzi ed aggregati artificiali per materiali cementizi da impiegare nel settore edile.
Inoltre, viene indagato e quantificato l’impatto ambientale e la fattibilità economica del processo di produzione, su diversi livelli, utilizzando la metodologia Life Cycle Thinking.

INTRODUZIONE
Secondo un'indagine dell'IEA [1], si calcola che attualmente il fabbisogno energetico annuo globale ammonti a circa 150-103 TWh, ovvero quasi 13 Gtep, dei quali il 77% circa viene soddisfatto mediante produzione da fonti fossili. Tali combustibili sono responsabili dell'immissione in atmosfera di 25 Gton di CO₂/anno, causa a loro volta dell'effetto serra.
L'utilizzo di fonti rinnovabili, insieme al risparmio e all’efficientamento energetico, sono le strategie attualmente in corso di applicazione per ridurre le emissioni, e perseguire la sostenibilità energetica. Ad oggi, però, la produzione di energia dalle rinnovabili non è ancora matura ed applicata su larga scala, nonostante sia in continua crescita e diffusione. Le ragioni sono la convenienza economica e l'affidabilità tecnologica su lungo periodo. Inoltre, la caratteristica intermittenza dell'erogazione di energia e non programmabilità della stessa, causata per lo più dalla variazione delle condizioni atmosferiche, sono ulteriori fattori limitanti alla diffusione, per i quali sistemi di accumulo e stoccaggio di energia (termica, elettrica o meccanica) sono strettamente necessari e di grande attualità.
I sistemi di accumulo dell’energia termica ben si accoppiano alle tecnologie basate sul solare o dovunque siano disponibili reflui termici. L’accumulo termico è basato sulla variazione dell’energia interna in un materiale, che può essere dovuta al calore sensibile per cambiamento della temperatura, calore latente per cambiamento di fase, energia termochimica per formazione e scissione di legami chimici in reazioni reversibili [2-4]. In ogni caso, i sistemi di accumulo termico (Thermal Energy Storage, TES) ricoprono un’ampia gamma di temperature ed applicazioni, e per questo motivo hanno un’elevata potenzialità tecnologica per lo sfruttamento nel campo del solare termodinamico, solare termico o efficientamento energetico degli edifici.
In particolare, l’accumulo di calore latente (Latent Heat Thermal Energy Storage, LHTES) si basa sull’assorbimento o il rilascio di calore nel momento in cui il mezzo di stoccaggio subisce un cambiamento di fase (solido-liquido o liquido-gas e viceversa), senza significative variazioni della temperatura [5-7].
Tali materiali vengono comunemente definiti Phase Change Materials, PCM. L’elevata densità di accumulo dei PCM (anche 100 kWh/m3) e la ridotta variazione di temperatura rendono questa tipologia di stoccaggio molto promettente, infatti è quella che attualmente stimola la maggior parte degli interessi e degli sforzi della ricerca sui TES. Questa tecnologia è diffusa ed impiegata in molti settori, come si può osservare nella Tab. 1, in particolar modo nell’integrazione con i materiali da costruzione per l’edilizia nei sistemi passivi di efficientamento termico.

In questo lavoro è stato realizzato un processo produttivo su scala di laboratorio per la realizzazione di calcestruzzi a base di aggregati con PCM, per sistemi di accumulo di calore latente, e sono stati valutati anche gli impatti conseguenti il processo stesso.

2. MATERIALI E METODOLOGIE

2.1  Paraffine ed Argille espanse
I PCM sono dei materiali per accumulo termico che, sfruttando il fenomeno fisico della transizione di fase, riescono ad immagazzinare molta energia e a rilasciarla mantenendo costante la propria temperatura, restituendo calore all’esterno, non appena la temperatura esterna si abbassa [9].
Le cere paraffiniche (Paraffin wax, abbreviato PAR),sono una miscela di n-alcani con catene del tipo CH3-(CH2)n-CH3 che si utilizzano in un ampio campo di temperatura, da 5,5°C a 80°C. Il loro possibile inglobamento nei materiali da costruzione può ridurre il consumo energetico negli edifici, grazie alle loro capacità di accumulo termico, e tale applicazione ha attratto l’interesse di molti ricercatori.
Gli aggregati impiegati per il presente studio sono a base di argilla espansa, materiali generalmente adoperati per la realizzazione di calcestruzzi leggeri. Essi sono caratterizzati da un nucleo interno poroso, che garantisce la leggerezza, ed una scorza esterna dura che ne garantisce la resistenza meccanica.
Sono stati considerati due aggregati artificiali argillosi di tipo commerciale: argilla espansa Leca Laterlite e l’argilla espansa Termolite della Gras-Calce, che differiscono per la granulometria. L’argilla espansa Leca Laterlite è più grossolana della Termolite.

2.2  Preparazione degli aggregati con PCM
Tra le modalità di incorporamento dei PCM nel calcestruzzo, si è presa in esame quella dell’impregnazione sottovuoto dei PCM in aggregati porosi [10, 11], consistente nell’iniziale eliminazione dell'aria e dell'umidità presente all’interno di aggregati porosi, con una pompa per vuoto, fusione del PCM e successiva impregnazione degli aggregati nel liquido, sempre sottovuoto,ed infine aggiunta degli aggregati impregnati all’impasto cementizio per realizzare il calcestruzzo finale.
Per ottenere risultati ripetibili, come prima operazione gli aggregati sono stati selezionati e separati in diverse frazioni per ottenere una granulometria omogenea, utilizzando dei setacci, come illustrato in Fig. 1.

La colonna di setacci a diversa grana viene posta su un vibrovaglio meccanico (MATEST Auto Sieve Shaker), ed agitata fino a completa stratificazione degli aggregati tal quali. Attraverso questa operazione, l’argilla espansa Leca Laterlite è stata divisa in quattro classi granulometriche, con diametro compreso tra 2 e 1 cm, mentre l’argilla espansa Termolite in cinque classi, con diametro compreso tra 1 e 0,2 cm. Per ogni classe granulometrica sono state effettuate delle prove di impregnazione, con acqua, per valutarne l’assorbimento con metodo gravimetrico.
A seguito dell’operazione di setacciatura, si è eseguita l’impregnazione sottovuoto degli aggregati con la percentuale di assorbimento maggiore, ricorrendo all’impianto descritto in Fig.2.

La cera è stata posta nella beuta, che è connessa ad una pompa da vuoto ed ad un vacuometro misuratore del vuoto. Il processo di evacuazione ha una durata di circa 2 minuti, ad una pressione assoluta di circa 150 mbar. Dopo aver riscaldato e fuso la cera, si è effettuato l’arresto della pompa a vuoto e la chiusura della valvola per mantenere la beuta sottovuoto e per permettere alla cera liquida di penetrare negli aggregati. Il processo di impregnazione è durato altri 2 minuti alla pressione assoluta di circa 600 mbar. La pressione è stata riportata alle condizioni ambiente, tramite apertura della valvola di sfiato, per effettuare in un secondo momento la pulizia degli aggregati e la rimozione della paraffina in eccesso.

2.3 Miscela di calcestruzzo
Di seguito è riportata, nella Tab.2, la miscele di calcestruzzo a base di PCM indagata nel presente lavoro, di cui successivamente si sono valutati i carichi ambientali.

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