Le aziende industriali, sia che producano alimenti, bevande, medicinali, metalli o carta, o che trattino superfici e tessuti, necessitano di calore di processo per molte applicazioni.
Gran parte di questo calore è ancora generato dalla combustione di combustibili fossili, che contribuiscono in modo significativo alle emissioni di gas serra (GHG) nel settore industriale globale. In Svizzera ciò rappresenta circa l’8% delle emissioni totali di gas serra.
Il settore industriale potrebbe già generare calore di processo fino a 200°C in modo ecologico, utilizzando pompe di calore industriali funzionanti con energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili. Tuttavia, nonostante questo potenziale, le pompe di calore rimangono rare negli ambienti industriali. I modelli esistenti sono spesso costruzioni costose, realizzate su misura per una specifica applicazione industriale e temperatura.
Una soluzione innovativa sviluppata da ricercatori svizzeri
I ricercatori dell’ETH di Zurigo e della Scuola universitaria professionale della Svizzera orientale di Buchs hanno sviluppato una soluzione che consente alle pompe di calore di produrre calore in modo economico e flessibile a diverse temperature fino a 200 gradi Celsius. Questa innovazione soddisfa le esigenze del settore molto meglio delle soluzioni commerciali disponibili, il che spiega perché molte aziende svizzere e internazionali hanno già espresso interesse per questa tecnologia.
Sfruttare il calore dell’ambiente
Le pompe di calore sfruttano l’energia immagazzinata nel calore di scarto o nell’aria ambiente, nelle falde acquifere o nel suolo. Generano calore per il riscaldamento o processi industriali facendo evaporare un refrigerante in un sistema chiuso, quindi facendo passare il gas attraverso un compressore per aumentarne la temperatura. Il calore ottenuto può poi essere utilizzato per riscaldare edifici o per processi industriali.
Nelle pompe di calore convenzionali, la temperatura raggiungibile e il profilo termico sono in gran parte determinati dalla scelta del refrigerante. Tutti i componenti della pompa di calore, dall’evaporatore al compressore, fino al condensatore e alla valvola di espansione, sono adatti per questo refrigerante. Se una fabbrica richiede calore a temperature diverse per più applicazioni, attualmente ciò può essere ottenuto solo utilizzando più pompe di calore, ciascuna con un refrigerante diverso. Ciò è costoso e poco pratico, il che spiega perché le pompe di calore non sono riuscite a prendere piede nel settore industriale.
Una miscela di refrigeranti per una maggiore flessibilità
André Bardow, professore di sistemi energetici e ingegneria di processo all’ETH di Zurigo, ritiene che il suo team abbia trovato una soluzione migliore: “ Invece di un singolo refrigerante, utilizziamo una miscela. Ciò consente a una pompa di calore di utilizzare diverse fonti di calore e generare diversi profili di temperatura. »
La composizione della miscela refrigerante può essere modificata per adattarsi alle diverse applicazioni. Questo è un vantaggio fondamentale per le aziende: invece di dover riprogettare l’intera pompa di calore ogni volta che necessitano di una temperatura diversa, possono semplicemente cambiare il mix, il che è molto più semplice ed economico.
La miscela stessa è composta da un refrigerante tradizionale e da un altro componente. Il profilo di temperatura della pompa di calore è dettato dal rapporto di questi due ingredienti. “ In linea di principio si possono avere numerosi profili diversi per i processi industriali, purché le temperature non superino i 200 gradi. Questo è il principale vantaggio della nostra tecnologia », aggiunge André Bardow.
Utilizzando un modello computerizzato per identificare il giusto mix
Per identificare i componenti idonei per la miscela refrigerante, i ricercatori hanno sviluppato un modello computerizzato che simula il circuito della pompa di calore con diverse variazioni della miscela refrigerante.
“ Abbiamo esteso i modelli termodinamici esistenti per le pompe di calore integrando i componenti della pompa di calore e la composizione della miscela nel processo di ottimizzazione “, spiega Dennis Roskosch, ricercatore principale del gruppo di ricerca di Bardow.
Il modello dei ricercatori si basa su oltre 200 milioni di molecole sintetiche conosciute per simulare una miscela di due molecole che offrono le prestazioni più efficienti per la pompa di calore.
Primi partner per un impianto pilota
Una volta trovata la miscela refrigerante ottimale, i ricercatori ne hanno confermato le proprietà nel laboratorio delle pompe di calore dell’Università di Scienze Applicate della Svizzera orientale.
“ I test hanno dimostrato che la nostra miscela aumenta l’efficienza di una pompa di calore industriale disponibile in commercio fino al 25%, come avevamo previsto », spiega il professor Stefan Bertsch, direttore del laboratorio delle pompe di calore. I ricercatori sono stati anche in grado di dimostrare come le diverse composizioni della miscela refrigerante influenzino il profilo della temperatura.
Il team ora spera di fornire esempi ancora più concreti di come la loro tecnologia potrebbe apportare benefici ad applicazioni industriali specifiche. La nuova pompa di calore sarà probabilmente di particolare interesse per l’industria alimentare, farmaceutica e chimica, dove molti processi richiedono temperature inferiori a 200 gradi.
Allo stesso tempo, i ricercatori lavorano in stretta collaborazione con produttori di pompe di calore come MAN Energy Solutions o Scheco AG e con partner industriali svizzeri come Lindt. Il prossimo passo sarà pianificare e costruire un impianto pilota per condurre ulteriori test.
Brendel L, Bernal S, Widmaier P, Roskosch D, Arpagaus C, Bardow A, Bertsch S. Miscele refrigeranti ad alto scorrimento nelle pompe di calore ad alta temperatura: Parte 1 – Coefficiente di prestazione, International Journal of Refrigeration, 10 maggio 2024, doi : pagina esterna10.1016/j.ijrefrig.2024.05.005
