La Tecnologia Termoelettrica

La termoelettricità riguarda una conversione diretta di un flusso di calore in una potenza elettrica. I fenomeni termoelettrici sono legati ad una capacità intrinseca di alcune classi di materiali, detti termoelettrici, di produrre una tensione elettrica se sottoposti ad un gradiente termico. La tensione prodotta è inoltre proporzionale alla differenza di temperatura applicata. Questo è il principio di funzionamento delle termocoppie, sensori di temperatura largamente utilizzati.

Descrizione

La tecnologia termoelettrica consente il recupero di calore da quei cascami termici, presenti in ogni processo, che costituiscono una perdita energetica dei processi stessi. Questa tecnologia, nello specifico, converte in maniera diretta un flusso di calore in energia elettrica. Questa conversione avviene, purtroppo, con una bassa efficienza, ma ha l’aspetto positivo di essere attiva a qualsiasi regime di temperatura, operando in maniera proporzionale, tra gradiente termico applicato e tensione prodotta. La tecnologia si basa su specifiche proprietà dei materiali e opera senza necessità di parti mobili, caratteristica che la rende estremamente compatta ed affidabile, nonché duratura. I fenomeni termoelettrici sono alla base del funzionamento della maggior parte dei sistemi per la rilevazione della temperatura oggi installati sia nei contesti domestici che in apparecchiature industriali. Questi sensori, le termocoppie, quando scaldate ad un estremo, producono una tensione elettrica che può essere utilizzata per diversi scopi. Generalmente viene semplicemente letta, al fine di visualizzare la temperatura: è questo il caso dei sensori nelle auto o installati nei termostati delle abitazioni. In altri casi, la tensione viene utilizzata per dare dei “consensi” e azionare dei dispositivi: un esempio ne sono i dispositivi di sicurezza montati nei fornelli a gas domestici. La termocoppia montata in prossimità della fiamma, scaldandosi genera un segnale tale da dare il consenso all’apertura della valvola del gas mantenendo accesa la fiamma. In caso di spegnimento della fiamma, il mancato calore azzera la tensione prodotta dalla termocoppia chiudendo il flusso di gas.

Il dispositivo alla base delle applicazioni di energy harvesting è invece il modulo termoelettrico, un elemento compatto in cui una serie di termocoppie vengono messe in parallelo termico (così che ogni elemento lavori sullo stesso salto di temperatura) ed in serie elettrica (così da sommare i contributi di tutti gli elementi costitutivi). Utilizzando questa architettura si è in grado di sfruttare al meglio le caratteristiche dei materiali e di mettere a disposizione un oggetto compatto in grado di produrre una potenza elettrica di circa 0.6 W/cm².

Campo di applicazione

Nell’ottica di un progetto ZEB, la tecnologia termoelettrica può essere inserita come opzione energetica in due contesti principali. Il primo è quello del recupero di calore, sfruttando i cascami termici prodotti dai sistemi di riscaldamento o rafferscamento dell’edificio: qui i salti termici, in un’ottica di ottimizzazione degli impianti e di bilancio energetico nullo, sono ridotti al minimo. Proprio questa caratteristica potrebbe aprire la strada all’introduzione di un recupero termoelettrico, unica tecnologia di energy harvesting capace di operare anche su calori a basse temperature. Ovviamente, la proporzionalità dell’output elettrico con la quantità di calore intercettata vincolerà la potenza elettrica che il sistema potrà recuperare. Questa potenza prodotta potrebbe essere messa a disposizione di sistemi di monitoraggio delocalizzati sugli impianti dell’edificio (sensori), incrementando l’efficienza generale del sistema edificio.

La seconda possibile declinazione della tecnologia termoelettrica in un edificio, è legata alla possibilità di realizzare un network di sensori indipendenti basati su una generazione di potenza distribuita. Qui la criticità è rappresentata dalla capacità di progettare un sistema in grado di intercettare il calore necessario ad alimentare, una volta convertito, il dispositivo elettronico di controllo o di comunicazione. Il fattore abilitante per la tecnologia, in questo caso, è la possibilità di potere operare in maniera discontinua. Infatti, laddove sia necessario un monitoraggio di parametri, ad esempio quelli ambientali, di un edificio, normalmente la raccolta e comunicazione dei dati viene eseguita ad intervalli di tempo fissati così da avere l’immagine dello status dell’edificio nell’arco di tempo di interesse. Queste sono condizioni abilitanti per la tecnologia termoelettrica dal momento che, anche in condizioni in cui non si riesca a raggiungere la potenza elettrica necessaria ad alimentare in continuo i sistemi di controllo, è sempre possibile integrare nel sistema un dispositivo di backup (batteria o altro) che venga mantenuto costantemente operativo da una carica continua associata al dispositivo termoelettrico. Questa modalità operativa consente di lavorare anche con flussi di calore limitati: si trae vantaggio dalla possibilità di accumulare l’energia negli intervalli di riposo del sistema evitando anche la perdita di quella potenza prodotta nei momenti di non utilizzo. Questo approccio tecnologico può affiancarsi ad altri sistemi, come pannelli solari o generatori eolici, su scale che possano integrarsi in elementi dell’edificio quali facciate o altro. I dispositivi termoelettrici, inoltre, sostanzialmente non richiedono manutenzione. Ciò li rende di particolare interesse laddove siano utilizzati in contesti di difficile accesso. In questi casi, infatti, anche solo la sostituzione di una batteria potrebbe rendere difficile o svantaggiosa la progettazione di un sistema di controllo. 

Prestazioni

Le prestazioni dei dispositivi termoelettrici dipendono fondamentalmente dal materiale con cui sono realizzati e dall’architettura del dispositivo elementare. I dispositivi facilmente reperibili sul mercato sono celle progettate per applicazioni di cooling (pompa di calore allo stato solido) che per questo motivo non raggiungono prestazioni d’eccellenza se utilizzati per la generazione. Guardando ai soli moduli per generazione di potenza, le celle hanno dimensioni superficiali variabili da 6x6 mm² a 60x60 mm². Lo spessore dei device, invece non cambia sostanzialmente mantenendosi tra 4 e 8 mm.

Il campo di temperature di operatività dipende ancora dai materiali utilizzati: per i comuni dispositivi, a base calcogenuri, il limite di temperatura al lato caldo varia tra 250°C e 300°C. Le massime performance in termini di potenza si ottengono per un salto di temperatura tra lato caldo e lato freddo di 200°C. Generalmente le potenze scalano con le dimensioni, raggiungendo 28-30W di potenza elettrica prodotta nei moduli più performanti da 60mm.

Le efficienze di conversione dei dispositivi sono nominalmente nell’ordine di 8-10%. Purtroppo, la necessità di realizzare attorno al modulo una catena termica per l’accoppiamento delle sorgenti calda e fredda alle superfici del dispositivo termoelettrico, generalmente comporta una perdita di efficienza globale del sistema. Applicazioni ben ingegnerizzate arrivano a raggiungere efficienze nette di conversione, tra calore immesso nel sistema e potenza elettrica prodotta, attorno al 6%, ma in genere si trovano sistemi che si assestano tra 4.5% e 5%, di fatto dimezzando le potenzialità della tecnologia.

Pensando ad applicazioni nell’edificio, è interessante notare come le migliori performance in termini di efficienza si ottengano lavorando a basse differenze di temperatura e con temperature poco elevate, laddove in realtà i calori persi risultano meno pregiati (proprio per l’assenza di tecnologie alternative per lo sfruttamento).

Considerando i dispositivi e le tecnologie attualmente disponibili sul mercato, un generatore termoelettrico risulta competitivo con altre tecnologie solo per potenze prodotte tra 100W e 500W. Per queste potenze la tecnologia termoelettrica è vincente sia in termini di efficienza che in termini di prestazioni.