All’Aquila hanno messo una pompa di calore dentro una batteria

Il sistema raggiunge un COP di 9,5 in carica e un round-trip del 35% in scarica, ma solo in simulazione

Dentro la stessa macchina convivono due numeri lontanissimi. In un verso lavora come pompa di calore e raggiunge un coefficiente di prestazione (COP) massimo di 9,5. Nell’altro funziona come ciclo Rankine organico (ORC) per restituire elettricità, e qui l’efficienza scende a una cifra sola. È il quadro che emerge dalla batteria Carnot reversibile progettata all’Università dell’Aquila, presentata a fine agosto su pv magazine. Il sistema accumula come calore il surplus elettrico di un impianto fotovoltaico residenziale e lo riconverte in corrente quando serve. Ottimizzando l’espansore, le simulazioni dei ricercatori arrivano a un’efficienza round-trip del 35%: un passo avanti netto, ma ancora un risultato da laboratorio.

Una macchina, due versi: perché la carica funziona così bene

Il principio della batteria Carnot si può immaginare come un frigorifero che, all’occorrenza, gira al contrario. In fase di carica l’elettricità in eccesso alimenta una pompa di calore, che sposta energia termica verso un accumulo. In fase di scarica lo stesso circuito si inverte e diventa un ciclo ORC: il calore immagazzinato vaporizza un fluido organico, il vapore fa girare un espansore e l’espansore genera elettricità. Il gruppo dell’Aquila ha integrato le due funzioni in un’unica unità reversibile invece di affiancare due macchine distinte.

Il punto di forza è la carica. La pompa di calore tocca un COP di 9,5 con un salto termico di circa 15 K, cioè con una differenza di temperatura contenuta tra sorgente e accumulo. Più il salto è piccolo, meno lavoro serve per spostare il calore: ogni kWh elettrico prelevato dal fotovoltaico diventa così diversi kWh termici. Se immagazzinare costa così poco in termini energetici, dove si perde tutto? Nella temperatura a cui il calore deve tornare elettricità.

Il nodo della scarica e la leva dell’espansore

Quando il ciclo si inverte, la termodinamica presenta il conto. Secondo uno studio sulle unità ORC pubblicato su IOPscience, durante la scarica la sorgente calda resta tra 90 e 110 °C. Con temperature così basse l’efficienza di conversione si ferma al 4-5%. Lo stesso lavoro evidenzia un secondo problema: gli ORC di piccola taglia, tra 1 e 3 kW, perdono rendimento quando operano fuori dalle condizioni di progetto. Questo succede di frequente, perché durante la produzione elettrica la temperatura della sorgente calda cambia mentre l’accumulo si svuota. Una macchina residenziale lavora proprio in quella fascia di potenza e in quel regime variabile.

I ricercatori dell’Aquila hanno lavorato su due parametri regolabili. Il primo è la portata dell’acqua calda. Passando da 20 a 30 litri al minuto, l’elettricità in surplus immagazzinata raddoppia da 2 a 4 kWh. Nello stesso passaggio il round-trip sale dal 22% al 26% e l’efficienza exergetica dal 16,4% al 19,8%. L’exergia misura la parte di energia davvero trasformabile in lavoro utile, ed è il metro più severo per un sistema che gestisce calore a bassa temperatura.

Il secondo parametro pesa di più: la velocità di rotazione dell’espansore ORC. A 1.000 giri al minuto il sistema ha accumulato circa 5 kWh dopo nove ore di funzionamento ORC e ha coperto l’intero carico elettrico dell’abitazione modellata. A questa velocità l’efficienza dell’ORC si avvicina al 7%, il round-trip raggiunge il 35% e l’efficienza exergetica il 26%. Sono numeri ottenuti in simulazione, su un’utenza domestica modellata e non su un impianto in esercizio. Restano comunque un progresso netto rispetto al punto di partenza. Ma su quale metro vanno giudicati, quando il mercato dello stoccaggio ragiona con altri parametri?

A che punto siamo davvero, accanto all’LFP

Fuori dal laboratorio il confronto è con l’accumulo elettrochimico. Secondo l’analisi di BloombergNEF sullo stoccaggio, il litio ferro fosfato (LFP) dovrebbe restare la chimica principale per l’accumulo energetico nel prossimo decennio. Le ragioni indicate sono tre: costi competitivi, elevata durata dei cicli e controllo della catena di approvvigionamento. Una batteria Carnot con un round-trip del 35% non può competere su quel terreno e non dovrebbe nemmeno provarci.

Il suo spazio è dove il calore conta già. Altri gruppi di ricerca seguono questa direzione: una presentazione dell’Università di Liegi sulle batterie Carnot descrive lo sviluppo di un prototipo di unità reversibile pompa di calore/ORC integrata in un edificio residenziale. Descrive anche un prototipo da laboratorio con 100 kWh di accumulo termico e 10 kW elettrici in uscita. Sono prototipi, non prodotti commerciali, e la distinzione va tenuta presente. Indicano però l’applicazione più sensata: l’edificio, dove la stessa macchina può anche scaldare.

Per chi progetta o gestisce impianti il compromesso è chiaro. Con la batteria Carnot reversibile si accetta un round-trip modesto in cambio di una sola macchina che scalda e accumula. Ha senso solo dove il calore serve comunque e dove portata d’acqua e giri dell’espansore vengono regolati con cura, perché le simulazioni dell’Aquila mostrano che il rendimento dipende molto da questi parametri. Resta da capire se il vantaggio di avere anche una pompa di calore basti a compensare un’efficienza ancora lontana da quella elettrochimica. Non è un’alternativa all’LFP, ma una soluzione per un problema diverso.