Sviluppata negli USA una pompa di calore magnetocalorica che, per peso, costo e prestazioni, può competere con le attuali pompe di calore a compressione di vapore
Nel mondo delle pompe di calore (PdC) si stanno facendo strada diverse tecnologie innovative, in grado di aumentarne l’efficienza e ridurne costi. Una di queste sfrutta l’effetto calorico generato da campi magnetici in alternativa ai sistemi convenzionali a compressione di vapore. Parliamo delle pompe di calore magnetocaloriche, promettente soluzione per il fabbisogno di raffreddamento e riscaldamento.
Questa tecnologia emergente è al centro di uno studio curato dall’Ames National Laboratory del Dipartimento statunitense dell’Energia, grazie a cui ha compiuto notevoli progressi. Qui, infatti, il team di scienziati guidato da Julie Slaughter, ha sviluppato una pompa di calore magnetocalorica che per peso, costo e prestazioni, può competere con i sistemi più convenzionali a compressione di vapore.
Il ruolo delle pompe di calore
Con la domanda di raffreddamento degli ambienti destinata a crescere in maniera esponenziale da oggi al 2050, appare sempre più urgente ridurre l’impatto di questo comparto sul clima. In questo contesto le pompe di calore, sfruttando il vettore elettrico e potendo quindi essere alimentate da energie rinnovabili, incarnano una delle migliori soluzioni tecniche per conciliare comfort e lotta alle emissioni.
La versione tradizionale impiega un ciclo termodinamico a compressione di vapore: il fluido refrigerante viene compresso o espanso (incrementando o diminuendo la sua temperatura) facendolo circolare tra fonte di calore e dissipatore. Ottimo sulla carta e molto diffuso, questo metodo sta ormai raggiungendo i suoi limiti tecnici in termini di efficienza. E non è esente da problemi come eventuali perdite del refrigerante che possano portare a emissioni dirette di sostanze chimiche potenzialmente dannose.
Una delle alternative in fase di studio prevede di sfruttare gli effetti calorici riscontrabili, in determinate condizioni, in alcuni materiali refrigeranti solidi. Uno di questi è per l’appunto l’effetto magnetocalorico. Di cosa si tratta? Di un fenomeno fisico riscontrabile soprattutto in determinati metalli in cui varia la temperatura in risposta ad una variazione del campo magnetico.
Pompe di calore magnetocaloriche, come funzionano?
La pompe di calore magnetocaloriche (MCHP) sfruttano l’omonimo effetto e si basano generalmente sul concetto di rigeneratore magnetico attivo (AMR),sistema in cui un fluido termovettore viene pompato attivamente attraverso un letto di materiale magnetocalorico poroso per trasferire energia termica agli scambiatori di calore. La Pdc funziona “semplicemente” modificando il campo magnetico applicato al materiale magnetocalorico. E incrementando o diminuendo, così, la temperatura.
Come spiegato dallo stesso Slaughter la modifica del campo magnetico avviene per lo più attraverso magneti permanenti. “Il nucleo del dispositivo comporta la rotazione di magneti permanenti rispetto al materiale magnetocalorico e l’uso di acciaio magnetico per mantenere il campo contenuto”, spiega il Laboratorio in una nota stampa. “La disposizione di questi tre pezzi gioca un ruolo importante” nelle prestazioni finali.
Pompe di calore al gadolinio
Lo studio del gruppo ha analizzato da vicino i due materiali magnetocalorici più comuni utilizzati in queste pompe di calore, rispettivamente a base di gadolinio e lantanio-ferro-silicio-idruro.
“Nel nostro dispositivo di base, abbiamo mantenuto le cose semplici utilizzando solo gadolinio”, ha affermato Slaughter. “I materiali lantanio-ferro-silicio hanno una capacità di potenza maggiore, aumentando naturalmente la densità ottenibile. Tuttavia non sono così facilmente disponibili e richiedono un quantitativo maggiore di materiali nel dispositivo per ottenere buone prestazioni”.
Gli scienziati si sono concentrati sull’uso più efficiente dello spazio nella pompa di calore e sulla riduzione della quantità di materiale magnetico permanente e di acciaio magnetico necessari per un funzionamento efficiente.
“Utilizzando modelli di elementi finiti, modelli solidi e stime delle prestazioni dei materiali magnetocalorici, sono state previste potenze termiche che vanno da 37 W a 44 kW a un intervallo di temperatura nominale di 10 K e si è stimato che la densità di potenza migliorerà da 6 W/kg a 81 W/kg. Trascurando gli effetti finali, si stima un limite superiore di 114 W/g. Rispetto alla densità di potenza dei compressori standard con temperature ambientali simili, a quella delle pompe di calore magnetocaloriche che utilizzano il gadolinio è competitiva fino a circa 200 W di potenza di raffreddamento. Questa è estesa a 1 kW quando si utilizzano leghe LaFeSi e fino a 3 kW nel caso limite”.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Applied Energy .
