L’idea-base del progetto Si.E.S. deriva da un fenomeno naturale, detto Termoacustico, che è noto fin dal I sec. a.C. Furono i Fenici, che inventarono la lavorazione del vetro, ad accorgersi che nel soffiare il vetro fuso attraverso dei lunghi tubi, si udiva un suono, la cui intensità era tanto maggiore quanto più elevata era la temperatura del fuoco. Da allora il fenomeno venne osservato dagli studiosi di tutte le epoche, senza peraltro comprenderlo appieno, né tantomeno pensare che sarebbe potuto essere alla base di un processo di conversione dell’energia. Negli anni ’90 gli studi sul fenomeno si sono intensificati, fino a definire una spiegazione del fenomeno. Un altro aspetto importante e che ha richiamato l’interesse della comunità scientifica è il fatto che il suono è una forma di energia, e che quindi il fenomeno termoacustico non era altro che un processo di conversione del calore in energia meccanica. Per quanto questa fatto fosse evidente da subito, fino al secolo scorso non si è ritenuto che si potessero raggiungere valori di potenza significativi. Il risultato più significativo degli sforzi di ricerca effettuati negli ultimi 30 anni è sicuramente l’aver invece dimostrato che sotto particolari condizioni operative, il valore di potenza sonica potrebbe essere molto elevato. Di fatto si è osservato in queste tre decadi una crescita esponenziale di pubblicazioni scientifiche su questo tema, e diverse compagnie nel mondo hanno immesso nel mercato generatori elettrici e cicli frigoriferi basati sul fenomeno termoacustico, con potenze che in certe istallazioni raggiunge i 150 kW. Il disegno seguente mostra intuitivamente come si sviluppa il fenomeno.
La condizione necessaria perché si verifichi il fenomeno termoacustico è che lungo una parete solida si crei un gradiente termico. Nel caso dei soffiatori di vetro la parete in questione è quella del tubo, dove il gradiente termico si crea perché da una parte c’è il vetro alla temperatura di fusione, mentre all’altro estremo la temperatura deve essere abbastanza bassa da essere sopportata dall’artigiano. Nello schema in figura, il cerchio celeste rappresenta una particella d’aria a temperatura ambiente, che viene a contatto con la parete sul lato caldo. La parete è più calda della particella, perciò del calore fluisce dalla parete alla particella, che quindi aumenta la propria temperatura e si dilata. Aumentando il proprio volume, la particella tocca un punto della parete differente da quello di prima e più freddo, e perciò trasmette alla parete il caolre assorbito in precedenza. Per effetto di questo rilascio di calore la particella si contrae, assumendo la posizione di partenza. Questo movimento alternato delle particelle d’aria a contatto con la parete viene avvertito come un suono.
Per poter utilizzare questo fenomeno occorre quindi una sorgente di calore in grado di raggiungere un’adeguata temperatura, un tubo pieno di aria o altro gas, un “pozzo di calore” ossia una sorgente fredda che mantenga a bassa temperatura una delle due estremità, e infine un sistema per convertire l’energia della vibrazione sonora in elettricità.
Uno degli sviluppi che ha permesso di migliorare le prestazioni del sistema è quello relativo all’utilizzo del rigeneratore (stack). Per fissare le idee lo si può pensare formato da una serie di lamelle di materiale con bassa conducibilità termica, e disposte in modo che le particelle d’aria possano muoversi in direzione longitudinale rispetto al tubo. Lo stack permette di ridurre la lunghezza del tratto in cui la temperatura diminuisce dal valore massimo a quello minimo, in questo modo favorendo l’insorgere del fenomeno. Di fatto, questo ha consentito di innescare la vibrazione anche con differenze di temperatura tra la sorgete calda e quella fredda relativamente modeste (100 °C).
Un altro aspetto molto importante è che il processo è reversibile, ossia, applicando una vibrazione dall’esterno si realizza un Ciclo Frigorifero. Si è pensato allora alla possibilità di accoppiare due risonatori termoacustici, uno che sfrutta la sorgente di calore per generare la vibrazione, che poi viene applicata a un secondo risonatore, realizzando un ciclo frigorifero. Il risultato finale è che si può utilizzare una sorgente di calore per alimentare un frigorifero o un condizionatore. Attualmente, questa è la principale applicazione della termoacustica disponibile sul mercato.
La seconda applicazione, che costituisce il principale obiettivo del presente progetto, è quello della generazione elettrica. A questo scopo occorre aggiungere un ulteriore stadio che converta la vibrazione in energia elettrica. Esistono diverse soluzioni a riguardo, ma in questo progetto si è deciso di adottare quella che viene considerata la più semplice, e per questo è anche quella maggiormente sperimentata.
In questa soluzione, il generatore elettrico è un semplice altoparlante, che viene utilizzato al contrario rispetto al suo uso abituale. Infatti, mentre normalmente il cono dell’altoparlante riceve un segnale elettrico dall’amplificatore che mette in vibrazione il magnete producendo un suono, in questo caso è il suono che dall’esterno muove il cono, e di conseguenza viene generata la corrente.
La quantità di energia elettrica dipende sia dalla sorgente primaria, ossia dall’intensità della radiazione solare, sia da tutti gli elementi del processo di conversione: concentratore solare, risonatore termoacustico, altoparlante. Scopo del presente progetto è quello di definire le caratteristiche del sistema che coniugano nel modo migliore la domanda di energia da parte dell’utenza con i costi dell’impianto.
Nella figura a lato è mostrata la catena di trasformazione completa. Il calore è fornito dal sole mediante concentratori parabolici, del tutto simili a quelli utilizzati per produrre acqua sanitaria o per alimentare gli impianti a vapore a concentratore solare (Concentrated Colar Plants – CSP). Con questo sistema si possono raggiungere agevolmente temperature superiori a 300°C. Come indicato in precedenza, la seconda estremità del tubo deve essere mantenuta a temperatura più bassa, per esempio la temperatura ambiente o quella di una sorgente. Infine, il risonatore termoacustico viene interfacciato con il cono dell’altoparlante. Idealmente si può pensare di collegare direttamente il carico elettrico all’altoparlante, come schematicamente rappresentato in figura, ma nella realizzazione pratica occorrerà prevedere un sistema di accumulo.
Il sistema così congegnato risulta un competitor del pannello fotovoltaico, ma rispetto a questo presenta numerosi vantaggi. Costo: tutto il sistema proposto si può realizzare con materiali di risulta, mentre il pannello fotovoltaico richiede una tecnologia molto sofisticiata che ne determina il costo elevato. Durata: nei piani di investimento dei pannelli fotovoltaici si pone un tempo limite per il ritorno del capitale di 20 anni, ma già molto prima l’efficienza delle celle diminuisce di molto. Invece nel sistema proposto i materiali non sono soggetti a riduzione dell’efficienza, anche quando si optasse per materiali di qualità anziché di scarto. Efficienza: le celle fotovoltaiche nuove hanno un’efficienza di circa il 12%, che come abbiamo visto si riduce nel tempo. Il limite è dovuto al fatto che solo una parte dello spettro solare contribuisce alla generazione di energia elettrica, mentre la parte restante viene trasformata in calore, riducendo ulteriormente l’efficienza complessiva. Spesso si cerca di ovviare al problema mediante una pulitura dei pannelli, ma anche questa operazione comporta un dispendio di energia che va considerato nel computo dell’efficienza globale. Di contro, il sistema termoacustico utilizza l’intero spettro solare, perché tutto viene trasformato in calore. Smaltimento: il recupero delle materie prime dai vecchi pannelli fotovoltaici è particolarmente onerosa, per quanto economicamente vantaggioso a causa del valore dei materiali utilizzati per realizzarli. Il sistema termoacustico si pone in termini completamente diversi, primo perché non sono presenti materiali di pregio, il che è un vantaggio perché il costo di fabbricazione è basso, e in secondo luogo non è prevista per questi sistemi una data ultima in cui i componenti debbano essere necessariamente smontati e recuperati.