Il termofotovoltaico ha un enorme potenziale per tante applicazioni, compreso il settore residenziale con accumulo energetico.
Circa il 70% di tutta l’energia prodotta dall’umanità è disperso sotto forma di calore. L’implementazione di meccanismi efficienti per recuperare questo calore potrebbe avere un impatto significativo, riducendo la quantità di CO2 rilasciata nell’atmosfera. Il termofotovoltaico, ovvero la conversione del calore in elettricità tramite fotoni, è una tecnologia emergente a oggi, che potrebbe però rivelarsi un pilastro della transizione energetica.
Come funziona il termofotovoltaico?
Il termofotovoltaico (TPV) è la conversione diretta del calore radiante in elettricità attraverso l’effetto fotovoltaico. I fotoni irradiati da un corpo ad alta temperatura (o emettitore) sono diretti verso una cella fotovoltaica sensibile agli infrarossi (o cella TPV) ravvicinata che successivamente produce elettricità. La vicinanza tra l’emettitore di fotoni e la cella TPV consente di sintonizzare il flusso radiativo tra di loro e minimizza il trasferimento netto di radiazione fuori banda, cioè le perdite di calore. Utilizzando strategie di questo tipo, le attuali celle TPV all’avanguardia hanno raggiunto efficienze di conversione record, superiori al 40% a temperature dell’emettitore di 1400°C. Questa è l’efficienza di conversione più alta tra tutti i tipi di convertitori di energia termica-elettrica a stato solido, compresi quelli termoelettrici e termoionici, le cui efficienze record sono comprese tra il 10% e il 15%.
I sistemi TPV sono quindi generalmente costituiti da una fonte di calore, un emettitore e un sistema di smaltimento del calore di scarto. Le celle TPV sono poste tra l’emettitore, spesso un blocco di metallo o simile, e il sistema di raffreddamento, spesso un radiatore passivo. Nei sistemi TPV mantenere il fotovoltaico fresco rappresenta una sfida significativa perché i sistemi fotovoltaici in generale funzionano con un’efficienza inferiore all’aumentare della temperatura.
Le applicazioni
Come si è detto, il termofotovoltaico ha grandi potenzialità in diversi settori e le sue applicazioni sono disparate. Per esempio, negli RTG, i generatori termoelettrici a radioisotopi convenzionali utilizzati per alimentare i veicoli spaziali. Questi utilizzano un materiale radioattivo la cui radiazione viene utilizzata per riscaldare un blocco di materiale e quindi convertita in elettricità utilizzando una termocoppia. Le termocoppie tuttavia sono molto inefficienti e la loro sostituzione con TPV potrebbe offrire miglioramenti in termini di efficienza e quindi richiedere un RTG più piccolo e leggero. I sistemi sperimentali sviluppati hanno dimostrato un’efficienza compresa tra il 15 e il 20%, con un picco del 30% nel concept sviluppato dall’Università di Houston, un miglioramento da 3 a 4 volte rispetto ai sistemi esistenti.
Un’altra area di ricerca sta utilizzando il TPV come base di un sistema di accumulo termico. In questo caso, l’elettricità generata nelle ore non di punta è utilizzata per riscaldare un blocco di carbonio o di un materiale a cambiamento di fase. Il materiale è circondato da celle TPV che a loro volta sono supportate da un riflettore e da un isolamento. Durante la conservazione, le celle TPV sono spente e i fotoni le attraversano e si riflettono nella sorgente ad alta temperatura. Quando è necessaria energia, il TPV è collegato a un carico.
Le celle TPV sono state proposte anche come dispositivi ausiliari di conversione della potenza per catturare il calore altrimenti perso in altri sistemi di generazione di energia, come sistemi di turbine a vapore o celle solari.
Il termofotovoltaico residenziale
Tornando all’accumulo termico, il termofotovoltaico ha un potenziale enorme nel settore residenziale, se il costo dell’elettricità rimane contenuto. Lo dimostra uno studio dell’Iowa State University of Science and Technology, dove un team di ricercatori ha analizzato dal punto di vista tecnico-economico un sistema termofotovoltaico integrato con l’energia solare e con materiali a cambiamento di fase per l’accumulo di energia.
Il team ha calcolato e ottimizzato il costo livellato dell’energia consumata (LCOE) e dell’elettricità (LCOEel) considerando diversi scenari tipici di un contesto edilizio residenziale. Le fonti di energia considerate sono fotovoltaico, rete elettrica e gas naturale. Completano l’esperimento una caldaia a gas, due accumulatori termici a bassa e ad alta temperatura, il termofotovoltaico (unità di generazione di energia) e una pompa di calore.
Sono stati elaborati 4 scenari con variazioni nel costo di capitale, nei tassi di inflazione dell’elettricità e del gas, nei costi di capitale legati ai sistemi di accumulo di energia ad alta temperatura e di produzione di energia.
