SI chiamano PCM-Materiali a cambiamento di fase, nanoparticelle, polimeri: dalla ricerca l’attenzione si concentra sull’efficienza energetica e l’attenzione alle emissioni
Edifici con nuovi materiali realizzati nel quartiere di Neue Mitte Wilhelmsburg ad Amburgo in Germania, photo: Gunnar-Ries/Flickr
L’edilizia e l’energia hanno almeno un punto in comune: lo studio e l’applicazione di nuovi materiali e soluzioni capaci di renderli più efficienti. Tradotto in altri termini: meno sprechi, minori emissioni, prestazioni maggiori.
L’ambito della ricerca è particolarmente attivo in questo senso: tra le varie soluzioni sperimentate vi sono i sistemi di accumulo a calore latente, con materiali a cambiamento di fase (o PCM) che stanno guadagnando terreno e considerazione in vari settori: edifici ad alta efficienza energetica, sistemi ad energia solare, ma anche teleriscaldamento e sistemi di condizionamento, sistemi di accumulo del fresco per centrali di condizionamento dell’aria e i sistemi di recupero del calore.
È quello su cui si concentra il gruppo di Scienza e Tecnologia dei Materiali del dipartimento di Ingegneria civile e ambientale dell’Università di Perugia, con sede a Terni, che opera in collaborazione con l’ENEA sulla tematica dell’accumulo di calore da fonti rinnovabili.
MATERIALI A CAMBIAMENTO DI FASE – Ma cosa sono i PCM di cui si parla con sempre maggiore insistenza nelle nuove prospettive energetiche ed edilizie? «Si tratta di materiali che cambiano appunto di fase, passando dallo stato solido a liquido. Normalmente i materiali tradizionali sono capaci di accumulare calore, denominato sensibile. Il PCM oltre, ad accumulare questo tipo di calore possiede la capacità di accumularne un gran quantità di calore latente quando cambia di fase – spiega Manila Chieruzzi, ingegnere, ricercatrice post dottorato e con una pluriennale esperienza in materia – La temperatura di fusione varia da materiale a materiale. Si possono utilizzare sostanze pure, di solito sali, oppure combinandoli tra loro. Naturalmente, la miscela che si ottiene ha un punto di fusione diverso dal singolo sale impiegato».
Per fare un esempio, nell’impianto solare termodinamico sviluppato con l’ENEA si utilizzano sali che fondono a 220 °C, impiegando nitrato di sodio e nitrato di potassio che altrimenti fonderebbero a temperature ben più elevate (il primo a 308 °C, il secondo a 334 °C). In edilizia, invece, si utilizzano materiali che fondono tra i 15 e i 70° C. I benefici che offrono, in entrambi i settori, sono legati al risparmio energetico, fondamentale perché si sfrutta proprio la loro capacità di accumulo termico: da una parte per essere convertito in energia elettrica, dall’altro per raffrescare (accumulando calore) e riscaldare (cedendolo) un’abitazione.
L’INTERESSE CRESCENTE PER LE NANOSOLUZIONI – La ricerca condotta dal team del professor Luigi Torre, svolta specificamente da 4-5 anni, denota un interesse crescente verso queste applicazioni, con uno studio su sempre più materiali a cambiamento di fase e sulla loro combinazione per meglio sfruttare le loro caratteristiche. E sempre più spesso entrano in gioco nanomateriali: «Questo è lo step di ricerca più avanzato teso a dimostrare la bontà dell’inserimento di nanoparticelle per incrementare capacità e prestazioni dei PCM anche del 20-60% per quanto riguarda il calore specifico e circa il 15% del calore latente. L’obiettivo è di utilizzare sempre meno materia prima e ottenere la massima efficienza e questo, credo, sarà la direzione futura della ricerca, tesa a risparmiare energia, a utilizzare sempre meno fonti fossili e limitare così sempre più le emissioni climalteranti», afferma Chieruzzi.
Quindi nanotecnologie e nanomateriali sono in prima linea non solo nelle rinnovabili, ma anche in edilizia – anche se per ora poco o per niente sfruttati –, «puntando ad aumentare sia il calore specifico che la conducibilità elettrica, in ogni caso il traguardo è l’efficienza», specifica la ricercatrice, che informa anche del coinvolgimento del team di ricerca in un progetto europeo mirato allo scambio di conoscenze tese a studiare l’impiego di PCM combinati con nanoparticelle.
In ogni caso, anche in edilizia è questione solo di tempo l’adozione di soluzioni e tecnologie “nano” per migliorare le prestazioni: basti ricordare che in ambito europeo è stata recepita una direttiva specifica (la EPBD) che dispone, a partire dalla fine del 2020, che tutti i nuovi edifici dovranno essere NZEB, ossia a energia quasi zero. Non solo: la stessa UE ha fissato gli obiettivi di riduzione delle emissioni al 2030 che per l’Italia sono pari al 33% rispetto a quelle del 2005.
L’ecosostenibilità quindi entra in gioco, quanto meno nelle minori emissioni: ma a livello di materiali, i PCM sono sufficientemente green? «Si tratta di materiali facilmente reperibili in natura e in commercio e hanno una marcata impronta ecosostenibile: nitrati di sodio e potassio, per esempio, si usano come fertilizzanti, innocui e specificamente adottati proprio per sostituire, a livello di centrali solari termodinamiche, gli oli che erano inquinanti nel caso di fuoriuscita nell’ambiente. Questi materiali possono fungere anche da accumulo di energia solare» risponde la scienziata.
Tra i vari materiali utilizzati, nell’edilizia, ci sono anche i polimeri: «rientrano per 
l’involucro dei PCM nell’impiego nei cementi per sfruttare l’accumulo termico ed evitare la dispersione dei materiali a cambiamento di fase quando fondono. I polimeri in questo modo, fungono da gusci protettivi». È anche possibile evitare la fuoriuscita dei PCM «inserendoli in particolari argille, materiali naturali da aggiungere ad esempio ai cementi, con vantaggi sia per l’accumulo di calore sia per una maggiore resistenza del composto».
E sempre in tema di novità, sfruttando sempre capacità simili ci sono i cool materials o le membrane endotermiche, soluzioni ideali per esempio per tenere fresche le case nell’area del Mediterraneo.
