Phase change materials for sustainable thermal energy storage: from characterization to applications in buildings, photovoltaics, electronics, textiles and cold chain systems

The thesis presents an organic review of phase change materials (PCM) for latent-heat thermal storage, including classification (solid–liquid, solid–solid, eutectics), thermo-physical/chemical properties, and stabilization strategies (micro/macro-encapsulation, nano-conductive additives, flame retardants, compatibility, and container corrosion). The main characterization methods (DSC, T-history, and other more recent techniques to derive conductivity, specific heat, and latent heat) are compared, highlighting advantages, experimental limitations, and criteria for use to obtain reliable data for design purposes. The analysis of the leading companies in the global PCM market is also reported. An application analysis based on the relevant scientific literature illustrates the integration of PCMs in electronics, with a focus on applications in batteries, data centers, and distribution networks, in photovoltaic modules, in buildings, in cold-chain logistics (with a biomedical focus), and in cooling garments, discussing for each application field the benefits, critical issues, and safety aspects, as well as economic and environmental impacts. A dedicated section analyses a selection of recent patents on PCMs in the energy sector, in order to highlight the most relevant technological innovations and application fields. The modeling section analyzes the Stefan problem, solved through the Neumann method. The solution through the enthalpy model, the effective specific heat, and the apparent specific heat is also examined. Overall, the work provides an operational framework linking characterization, modeling, and application requirements to support a reliable, safe, and sustainable deployment of PCMs in the energy sector.

La tesi presenta una rassegna organica dei phase change materials (PCM) per l’accumulo di energia termica latente, includendo classificazione (solid–liquid, solid–solid, eutettici), proprietà termo-fisiche/chimiche e strategie di stabilizzazione (micro/macro-incapsulamento, additivi nano-conduttivi, ritardanti di fiamma, compatibilità e corrosione dei contenitori). Vengono confrontati i principali metodi di caratterizzazione (DSC, T-history e altre più recenti per ricavare conducibilità, calore specifico e calore latente) evidenziando vantaggi, limiti sperimentali e criteri d’impiego per dati affidabili ai fini di progetto. Viene riportata l'analisi delle aziende leader del mercato globale dei PCM. Un’analisi applicativa sulla letteratura scientifica di riferimento illustra l’integrazione dei PCM in elettronica, con focus sull'applicazione nelle batterie, nei data center e nelle reti di distribuzione, in moduli fotovoltaici, negli edifici, nella logistica del freddo (con focus biomedico) e negli indumenti refrigeranti, discutendo per ciascun campo applicativo benefici, criticità, sicurezza oltre all'analisi dell'impatto economico e ambientale. Una sezione dedicata analizza una selezione di brevetti recenti sui PCM nel settore energetico, al fine di evidenziare le innovazioni tecnologiche più rilevanti e i relativi campi di applicazione. La sezione dei modelli analizza il problema di Stefan, risolto tramite metodo di Neumann. Viene anche analizzata la risoluzione attraverso l'applicazione del modello entalpico, del calore specifico effettivo e del calore specifico apparente. Nel complesso, il lavoro fornisce un percorso operativo che collega caratterizzazione, modellazione e requisiti applicativi per favorire un impiego affidabile, sicuro e sostenibile dei PCM nel settore energetico.