I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato una nuova soluzione per le pompe di calore industriali: utilizzando questo nuovo approccio, le aziende possono generare calore in modo flessibile a diverse temperature fino a 200°C, riducendo drasticamente costi e numero di dispositivi necessari
di Daniele Di Vaia
Sfide e Opportunità delle Pompe di Calore Industriali
Nonostante i loro vantaggi economici e la capacità di ridurre le emissioni, le pompe di calore industriali oggi sono ancora piuttosto sottorappresentate, fornendo solo il 5% del calore industriale globale. Eppure le loro potenzialità continuano ad attirare nuovi sforzi tecnologici e studi di settore e il motivo è presto spiegato. La domanda di calore dell’industria continua ad ad essere alta. In Europa si stima che il comparto abbia bisogno di 1.800 TWh termici all’anno.
E secondo uno studio del 2017 del Fraunhofer ISI, il 25% di questa domanda – corrispondente a circa 450 TWh – richiede temperature inferiori a 200°C. Un compito che potrebbero assolvere le pompe di calore ad alta temperatura, confermandosi come soluzione ideale per tale segmento di mercato.
Pompe di calore ad alta temperatura, la scelta del refrigerante
Le pompe di calore ad alta temperatura (HTHP), recuperano energia dal calore di scarto, dalle acque sotterranee o dal suolo per riscaldare un fluido refrigerante in un sistema chiuso. Il gas prodotto passa attraverso un compressore che ne aumenta la temperatura, producendo calore.
Il motivo principale per cui non sono riuscite a crescere nel campo industriale va cercato proprio alla scelta del refrigerante.
La tipologia di refrigerante svolge un ruolo da protagonista per due motivi principali:
- Tutti i componenti della pompa di calore (evaporatore, compressore, condensatore e valvola di espansione) dipendono dalla scelta del fluido.
- La temperatura e il profilo di temperatura raggiunti dal gas post compressione, sono in gran parte determinati dalla scelta del refrigerante.
Il problema sorge nel momento in cui una fabbrica ha bisogno di calore a temperature diverse, questa richiesta può essere soddisfatta solo utilizzando più pompe di calore, ciascuna con il proprio refrigerante. Ma questa scelta risulta onerosa e scomoda per una fabbrica, motivo per il quale le pompe di calore non sono riuscite a fare troppi progressi nel settore industriale.
La novità: Pompe di calore flessibili ed efficienti
André Bardow, professore di ingegneria dell’energia e dei sistemi di processo presso l’ETH di Zurigo, ed il suo team di ricercatori potrebbero aver trovato una soluzione molto interessante: “Con l’impiego di una miscela diversa di refrigeranti, la pompa di calore può generare vari profili di temperatura, risolvendo le problematiche legate a costi e spazi”.
Modificando la composizione della miscela, si altera la curva temperatura-energia della pompa di calore, ampliando la sua capacità di adattarsi a diverse applicazioni. Questa versatilità rende la tecnologia altamente flessibile ed efficace.
Questa è un’innovazione rivoluzionaria per le aziende: anziché riprogettare l’intera pompa di calore ogni volta che si necessita di una temperatura diversa, si può semplicemente modificare la miscela, il che è molto più semplice ed economico.
Bardow afferma che il principale vantaggio offerto dalla tecnologia consiste nel produrre calore in modo economico e flessibile a diverse temperature fino a 200 gradi Celsius.
Per scegliere i componenti più adatti per la miscela, i ricercatori hanno sviluppato un modello computerizzato che permette di simulare il circuito della pompa di calore, riducendo tempi e i costi associati alla sperimentazione fisica.
Risultati sperimentali
I test svolti in laboratorio hanno portato risultati straordinari: la miscela aumenta l’efficienza di una pompa di calore industriale disponibile in commercio fino al 25%.
Gli scienziati hanno testato le miscele di refrigeranti binari e ternari costituite in una pompa di calore ad alta temperatura su scala di laboratorio. L’obiettivo era quello di quantificare i vantaggi delle miscele rispetto ai fluidi puri, in termini di coefficiente di prestazione (COP), definito come il rapporto tra l’energia termica fornita e l’energia elettrica consumata dal sistema.
I principali risultati sono riassunti come segue:
- Il COP raggiunto dalla miglior miscela rispetto al miglior fluido puro è pari a 2,96 contro 2,55, che per ogni unità di energia elettrica consumata dalla pompa di calore, vengono prodotte tre unità di energia termica, disponibili per processi e attività industriali.
- Il COP raggiunto dalle diverse miscele binarie e ternarie sono molto vicini, permettendo al team di avere un ‘elevata varietà di scelta nella selezione della miscela.
- Al variare delle condizioni operative, il COP delle miscele era generalmente più stabile del COP dei fluidi puri.
Tuttavia, nello sviluppo di pompe di calore industriali è necessario non limitarsi a ottimizzare il COP. Un’altra caratteristica fondamentale della tecnologia deve essere la robustezza, intesa come la capacità della pompa di gestire variazioni di temperatura, carichi termici variabili e situazioni impreviste– quali ad esempio avviamenti e spegnimenti frequenti – senza compromettere l’efficienza energetica o l’affidabilità del sistema.
Secondo gli autori, la nuova pompa di calore sarà particolarmente rilevante per l’industria alimentare, farmaceutica e chimica proprio grazie alla sua capacità di generare calore in maniera flessibile a diverse temperature.
Numerose aziende svizzere e internazionali hanno già espresso interesse per questa tecnologia. I ricercatori di ETH, sono attualmente in stretto contatto con produttori di pompe di calore come MAN Energy Solutions o Scheco AG e con partner industriali svizzeri come Lindt, con l’obiettivo di progettare e costruire futuri impianti pilota per ulteriori test sperimentali.
