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EFFETTO SEEBECK
TERMOELETTRICO
Unicità e prospettive di sviluppo
1. Che cos’è
l’effetto Seebeck
Che cos’è
l’effetto Seebeck
L'effetto Seebeck è un effetto termoelettrico per
cui, in un circuito costituito da conduttori metallici o
semiconduttori, una differenza di temperatura
genera elettricità. È l'opposto dell'effetto Peltier.
L'effetto fu scoperto accidentalmente dal fisico
estone Thomas Johann Seebeck nel 1821, il quale
notò la presenza di una differenza di potenziale ai
capi di una barra metallica sottoposta ad un
gradiente di temperatura ΔT.
Egli osservò, inoltre, che l'ago di una bussola subiva
una deflessione in prossimità di un anello costituito
da due metalli con le due zone di giunzione poste a
differenti temperature. Ciò è dovuto al fatto che i
due metalli generano potenziali elettrici diversi
nelle due regioni a differente temperatura dando
origine ad un flusso di corrente, il quale produce il
campo magnetico che influenza la bussola.
Il valore della differenza di potenziale generata per
effetto Seebeck è dell'ordine di alcuni μV per Kelvin
di differenza.
Che cos’è
l’effetto Seebeck
Nel circuito seguente la configurazione circuitale
può variare, ma la formulazione matematica rimane
la stessa.
La tensione risultante è data da:
V = (Sb - Sa) . (T2 – T1)
dove: Sa e Sb sono i coefficienti di Seebeck (o
potere termoelettrico) relativi ai due metalli A e B,
T1 e T2 sono le temperature delle due giunzioni.
I coefficienti di Seebeck non sono lineari e
dipendono dai materiali, dalla loro temperatura
assoluta e dalla loro struttura molecolare. Qualora i
coefficienti
si
possano
ritenere
costanti
nell'intervallo di temperatura considerato, la
formula precedente può essere così approssimata:
V=
𝑇1
𝑇2
𝑆𝑏 𝑇 − 𝑆𝑎 𝑇 𝑑𝑇
Ne consegue che l'effetto Seebeck può essere
sfruttato per misurare differenze di temperatura
come differenze di potenziale, generate in un circuito
costituito da fili di materiale diverso: il dispositivo
risultante prende il nome di termocoppia. Per
ottenere la misurazione di una temperatura assoluta
si pone una delle due giunzioni ad una temperatura
nota. Inoltre differenti termocoppie possono essere
collegate in serie a formare una cosiddetta termopila.
Principio di funzionamento di una cella termocoppia
L'effetto Seebeck è sfruttato dalle termocoppie.
Il fenomeno non può sussistere in un circuito formato
da un solo conduttore omogeneo.
Una termocoppia, quindi, è costituita da una coppia
di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra
loro in un punto.
Questa giunzione è convenzionalmente chiamata
giunto caldo o giunzione calda, ed è il punto nel quale
viene applicata la temperatura da misurare. L'altra
estremità, costituita dalle estremità libere dei due
conduttori, è convenzionalmente chiamata giunto
freddo o giunzione fredda. Quando esiste una
differenza di temperatura tra la zona del giunto caldo
e la zona del giunto freddo, si può rilevare una
differenza di potenziale elettrico tra le estremità
libere della termocoppia in corrispondenza del giunto
freddo. Tale valore di potenziale elettrico è funzione
diretta della differenza di temperatura, secondo una
legge non lineare (vedi sotto). Nella pratica, ad
esempio negli impianti industriali, la termocoppia è
inserita all'interno di una guaina di protezione che
penetra all'interno dell'apparecchiatura della quale si
vuole misurare la temperatura. Subito all'esterno, i
due conduttori sono connessi ad una morsettiera di
porcellana contenuta dentro una testina di
protezione.
Da questo punto, altri due conduttori elettrici di
metallo uguali a quelli della termocoppia prolungano
il collegamento elettrico fino ad una sala controllo
centralizzata, e vengono collegati alla morsettiera di
uno strumento indicatore o registratore di
temperatura.
In tal modo il giunto freddo si trova fisicamente
sottoposto alla temperatura presente su tale
morsettiera.
Questa temperatura viene misurata tramite un
termistore o una termoresistenza e utilizzata,
all'interno dello strumento, per correggere
elettricamente il segnale proveniente dalla
termocoppia.
In questo modo, qualsiasi sia la temperatura
presente in tale zona, è come se il giunto freddo si
trovasse alla temperatura di 0 °C. Quest'azione si
chiama
compensazione
della
temperatura
ambiente ed assicura la massima precisione di
misura.
Lo strumento misuratore avrà sulla sua scala o sul
suo display l'indicazione direttamente in gradi
Celsius (e non in mV), in quanto al suo interno
esistono sistemi che tengono conto anche della non
linearità del segnale in ingresso.
Che cos’è
l’effetto Seebeck
2. L’unicità del
Brevetto LarioEsco
L’unicità del
Brevetto LarioEsco
LarioEsco è una società che fornisce ai propri clienti
molteplici servizi integrati per la realizzazione, e
successiva gestione, di interventi finalizzati al
risparmio energetico, all’efficientamento dei processi
industriali
attraverso
l’ingegnerizzazione
e
l’applicazione delle migliori tecnologie presenti sul
mercato.
In questo senso il pool di ingegneria di Larioesco è in
grado di concepire, ingegnerizzare , prototipare e
realizzare le migliori soluzioni tecnologiche.
LarioEsco, grazie alla collaborazione ed all’intuizione
progettuale della associata Labor, dopo lunghi studi
di carattere dimensionale e i test di stress di
funzionamento sia in regime statico che dinamico si
propone di mettere sul mercato il prodotto
industrializzato.
Lo scopo è quindi quello di ottenere energia elettrica,
non inquinante, a basso impatto ambientale e senza
sottrarre vaste superfici ad altri utilizzi da fluidi caldi
con una differenza di temperatura variabile tra i 100
ed i 250 °C.
Occorre sottolineare come la produzione di energia
elettrica, tramite moduli termoelettrici sia stata finora
utilizzata nella ricerca spaziale ma non applicata in
ambito terrestre. La NASA sfrutta l’effetto Seebeck nei
rover lunari e marziani, in collegamento con un
generatore termoelettrico a radioisotopi (plutonio).
L’unicità del
Brevetto LarioEsco
Il prototipo è costituito da moduli di materiale
semiconduttore in cui si crea e mantiene una
differenza di temperatura tra le due superfici,
ponendoli a contatto con dei circuiti idraulici in cui
scorre del fluido caldo da una parte e freddo dall’altra.
In funzione del valore di questo salto termico, si crea
all’interno una differenza di potenziale e quindi una
corrente elettrica. In questo modo dalla stessa sorgente
di calore viene prodotta energia elettrica; inoltre
attraverso cicli termodinamici si ottiene calore di
climatizzazione o riscaldamento.
L’applicazione innovativa di Larioesco ottimizza
efficacemente questo processo, grazie a due fattori
premianti e brevettati:
• la scelta dei metalli a semiconduttori drogati utilizzati;
• una struttura di scambio termico tale da produrre in
un metro quadro una potenza di circa 10 kW ed
un’energia di circa 80.000 kWh all’anno.
3. Le Applicazioni
Le Applicazioni
La nuova tecnologia può essere applicata al recupero termico di ogni sistema che abbia una costante produzione di
calore oltre i 220 °C, come l’energia solare o quella derivante dai fumi di processi di combustione ad alte
temperature. Esso produce energia elettrica dal calore, con la massima efficacia possibile. Inoltre, particolare
determinante, non ha parti meccaniche in movimento, non necessita di manutenzione e non richiede nessuna
fornitura di combustibile fossile, solido, liquido o gassoso.
Le applicazioni, dunque, sono illimitate:
•
•
•
•
•
Smaltimento di rifiuti, solidi e biomasse, termovalorizzatori, inceneritori, impianti a pirolisi.
Riciclo dei materiali derivanti da raccolta differenziata.
Impianti siderurgici, cementifici, cartiere, forni, trafilerie.
Motori a combustione interna, in questo caso può essere utile l’applicazione dell’impianto su imbarcazioni da
diporto, mercantili e transatlantici.
Solare termico piano e a concentrazione.
Le Applicazioni
Applicazione con solare termico e cogeneratori
SOLARE TERMICO
L’applicazione in accoppiamento con la produzione di
ACS derivante dai pannelli solari termici è un’ulteriore
interessante utilizzo della nostra tecnologia. Il solare
termico infatti spesso sopporta in estate un forte
esubero di potenza termica non solo non sfruttato ma
spesso fonte di problemi di gestione.
Il sistema Seebeck permette di sfruttare questo esubero
di potenza trasformando i gradienti termici in
particolare estivi in energia elettrica in bassa tensione
subito disponibile.
COGENERAZIONE
I sistemi di cogenerazione si prestano ad essere
affiancati dal nostro sistema Seebeck, poiché spesso vi è
una forte necessità di aumento della produzione di
energia elettrica per l’alimentazione delle utenze. In
questo senso quindi l’accoppiamento viene fatto sui
fumi di scarico dai quali è possibile prelevare l’energia
necessaria.
4. Compatibilità
Ambientale
Compatibilità Ambientale
I cogeneratori a ciclo rankine, conosciuti con il nome di
turbogeneratori ORC (Organic Rankine Cyc) sono le
tecnologie oggi maggiormente diffuse sul mercato che
hanno lo stesso effetto del prototipo oggetto in analisi. In
queste macchine il fluido organico viene fatto evaporare
utilizzando il calore proveniente dalla caldaia mediante
uno scambiatore ad olio diatermico.
Il fluido organico vaporizzato alimenta quindi la turbina
che produce energia elettrica.
Il sistema proposto si differenzia però per diversi vantaggi
sul piano ambientale di notevole interesse.
Per prima cosa non necessita della fornitura di nessun
combustibile fossile, solido, liquido o gassoso per il suo
funzionamento con la conseguente riduzione delle
emissioni di rifiuti o residui di processo.
Non è costituito da organi in movimento e l’impianto è
realizzato in ambienti chiusi e protetti; gli interventi di
assistenza sono facilitati, la manutenzione è ridotta al
minimo e diminuiscono i rischi legati a fenomeni
atmosferici, furti e atti vandalici.
Inoltre diminuiscono gli sfruttamenti di spazi ed
impianti; la produzione di energia avviene nel luogo di
utilizzo evitando parte degli ingenti investimenti in linee
di trasporto.
Infine, è un sistema estremamente flessibile in quanto
può essere sfruttato sia per richieste di alte potenze sia
per soddisfare i fabbisogni di piccole utenze.
5. I Tempi dello sviluppo
I Tempi dello Sviluppo
I mercati di riferimento sono molteplici e su scala mondiale. Immaginare una prospettiva di mercato passa attraverso la
certificazione dei diversi settori produttivi oltre che all’adeguamento dei dispositivi di interfaccia e alle specifiche
tecniche di ogni paese (soprattutto extra UE) sul versante dello sviluppo internazionale dell’iniziativa.
Tuttavia sulla base di quanto riteniamo possibile perseguire commercialmente anche con l’adeguato supporto allo
sviluppo da parte delle banche, si ritiene di poter affrontare il mercato con questa implementazione:
• 200 kw nel 2016;
• 2500 kw nel 2017;
• 10.000 kw nel 2018.
6. Il Primo Impianto
Pilota
Il primo impianto pilota
Il primo impianto da 30 kW efficace e funzionante
sarà pronto in Italia ed installato presso un cliente
industriale: sarà il primo impianto funzionante ad
effetto Seebeck, a regime entro il 2015 in Italia.
Oltre che dare un segnale di forte concretezza per il
mercato, l’impianto ha una doppia possibilità di
esercizio atta dunque a verificare le possibilità di
adattamento a contesti industriali differenti.
L’impianto avrà un sistema di telecontrollo attivato
sia nella gestione delle automazioni sul circuito di
calore che su quello di raffreddamento.
Unitamente a questo il sistema ha tutte le più
moderne interfacce web-oriented per l’acquisizione
in tempo reale dei dati di sistema.
Le dimensioni sono sorprendenti poiché la superficie
di generazione termoelettrica è di soli 3,5 mq.
7. Valutazione Economica
Valutazione Economica
Dal punto di vista economico si può
effettuare un’analisi di massima in
riferimento all’impianto pilota
sopracitato da 30 kW. Si è
ipotizzato
un
possibile
investimento, si è calcolata la
producibilità annua sulla base di un
funzionamento continuo di circa
8000 ore annue e sulla cessione in
azienda
dell’energia
elettrica
prodotta, per arrivare ad un
payback in anni.
Con lo stesso ragionamento si
vuole a questo punto inserire una
comparazione con le tecnologie
oggi più diffuse sul mercato che
sfruttano lo stesso principio:
trasformano calore in energia
elettrica.
Esse sono gli impianti fotovoltaici e i
turbogeneratori ORC.
A fronte di ciò le considerazioni che si
possono effettuare, derivano non
solo dal valore in anni di payback
sicuramente più alto ma anche da
una differenza notevole delle
superfici occupate dall’impianto per
ottenere gli stessi valori di potenza
generata. Per il prototipo si richiede
uno spazio per le celle di circa 3 mq
che si può sviluppare sia in
orizzontale che in verticale; mentre
la superficie occupata dai pannelli
fotovoltaici è di 190,2 mq, installata
in una posizione precisa con
un’inclinazione che deve essere
studiata
per
massimizzare
i
rendimenti.
Anche nel caso dei turbogeneratori
ORC, per garantire il confronto si
mantengo alterati alcuni dati, quali la
potenza di 30 kW e il funzionamento
continuo di circa 8000 ore annue. La
producibilità annua rimane la stessa ma
in questo caso l’investimento è
nettamente aumentato. Inoltre il valore
del ricavo, anche se il prezzo di scambio
sul posto rimane inalterato, risulta più
basso poiché è stata considerata una
percentuale di manodopera che risulta
molto dispendiosa per questa tipologia
di impianti. Il calcolo ha portato ad un
risultato di payback in anni con un
valore superiore al prototipo oggetto
della trattazione.
8. Contatti
LarioEsco s.r.l.
Corso XXV Aprile 149/C, Erba (CO)
Tel. 031-3376134
Email. [email protected]
Web. www.larioesco.it
Dott. Fabio Puglia
344-2543889
Dott. Mario Motta
329-2037279