Un gruppo di ricerca del Ghana ha sviluppato una pentola a vapore alimentatada fotovoltaico (Isesc) con accumulo di energia termica (TES) basato sulla sabbia.
“Il potenziale della sabbia, data la sua stabilità termica e il basso costo, non è stato ancora indagato in modo estensivo. La ricerca esistente utilizza principalmente diodi, resistenze elettriche o sistemi a induzione come sorgenti di calore, con un’esplorazione limitata della generazione diretta di vapore usando il calore immagazzinato nella sabbia”, spiegano i ricercatori. “L’integrazione della cottura a vapore con un TES a base di sabbia in sistemi solari fotovoltaico–elettrici è un ambito innovativo, e la sua efficienza nella produzione di vapore e nella cottura degli alimenti non è ancora chiara”.
Il sistema testato comprende 20 moduli fotovoltaici, ciascuno con una potenza massima di 580 W e un rendimento del 22,65%. I moduli sono montati su una struttura a terra con un’inclinazione di 10° verso sud e un angolo di azimut di 0°. L’energia elettrica generata è convogliata verso il sistema di accumulo di energia termica, che è costituito da due componenti: un contenitore in lamiera d’acciaio dolce riempito con sabbia di cava, all’interno del quale è inserito un elemento riscaldante resistivo in corrente continua.
Al di sopra dello strato di sabbia è installata una camera d’acqua contenente 10 kg di acqua, che genera il vapore utilizzato per riscaldare il cibo all’interno della camera di cottura. La camera di cottura misura 143 cm in altezza, 150 cm in lunghezza e 57,5 cm in larghezza, mentre le dimensioni della “batteria termica” sono 15 cm × 65,5 cm × 44 cm.
Le prove sperimentali sono state condotte presso la Kunst Senior High School di Kumasi, in Ghana. I test di ebollizione dell’acqua sono stati eseguiti quotidianamente dal 21 al 24 ottobre 2024, tra le 10:00 e le 15:00. Le prove di cottura sono seguite dal 5 al 7 novembre 2024. Tra gli strumenti utilizzati figurano un piranometro, una pistola a infrarossi per la temperatura, un voltmetro, un amperometro e una termocamera.
I risultati hanno mostrato che la camera di cottura ha raggiunto temperature comprese tra 105 e 110 °C, sufficienti per cuocere 16 kg di riso in 80 minuti, 16 kg di fagioli in 140 minuti e 32 kg di platano in 85 minuti. L’ISESC ha raggiunto un rendimento termico del 38,9%, superando di circa il 12–14% le prestazioni dei sistemi solari a vapore con specchio Scheffler (25–26,5%) in condizioni simili. Il TES a base di sabbia ha immagazzinato 13–15 MJ di energia, garantendo 4–6 ore di cottura affidabile anche in condizioni di irraggiamento solare variabile compreso tra 400 e 900 W/m².
L’analisi dei costi di ciclo di vita ha indicato un tempo di ritorno dell’investimento di 4,5 anni, con costi totali su 20 anni stimati inferiori del 47% rispetto a quelli delle tradizionali stufe a biomassa. I risparmi annui di emissioni dell’Isesc sono stati calcolati in 5.312,22 kg di CO₂, 11,10 kg di NOx e 7,05 kg di PM2,5, contribuendo alla riduzione della deforestazione, alla diminuzione dell’inquinamento dell’aria indoor e al sostegno degli obiettivi di contributo determinato a livello nazionale (NDC) del Ghana.
Il sistema è descritto nello studio “Experimental analysis of an institutional solar PV-powered steam cooker with sand-based thermal energy storage”, pubblicato su Solar Energy Advances. Hanno collaborato scienziati della Kwame Nkrumah University of Science and Technology del Ghana, del Technology Consultancy Centre – International Centre for Innovation, Manufacturing, Technology Transfer, and Entrepreneurship (TCC-CIMET) e della Cape Coast Technical University.
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