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= ๐1 ๐2 ๐๐ ๐ − ๐๐ ๐ ๐๐ 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