Elettrificare l'industria con le pompe di calore flessibili

Che si tratti della produzione di alimenti e bevande, della fabbricazione di medicinali, metalli e carta o della finitura di superfici e tessuti, l'industria ha bisogno di calore di processo. Le aziende continuano a generare gran parte di questo calore bruciando combustibili fossili. Ciò significa che la generazione di calore di processo è responsabile di gran parte delle emissioni globali di gas serra dell'industria. In Svizzera, questo settore è responsabile di circa l'8% delle emissioni totali di gas serra.

L'industria potrebbe già generare calore di processo fino a 200 gradi Celsius in modo ecologico utilizzando pompe di calore industriali che sfruttano l'elettricità da fonti di energia rinnovabili. Nonostante questo potenziale, tuttavia, le pompe di calore sono ancora una rarità nell'industria. Il motivo è che i modelli esistenti sono di solito costosi prodotti personalizzati, sviluppati appositamente per un'applicazione e una temperatura industriale specifica.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'OST - Ostschweizer Haute école spécialisée di Buchs hanno ora trovato un modo per consentire alle pompe di calore di generare calore in modo flessibile ed economico a temperature diverse, fino a 200 gradi. Poiché questa soluzione è più in linea con le esigenze dell'industria rispetto alle soluzioni disponibili sul mercato, numerose aziende svizzere e internazionali hanno già espresso il loro interesse per questa tecnologia.

Sfruttare il calore dell'ambiente

Le pompe di calore sfruttano l'energia immagazzinata nel calore residuo, nell'aria ambiente, nelle acque sotterranee o nel terreno. Generano riscaldamento o calore di processo vaporizzando un refrigerante in un circuito chiuso e comprimendo il gas con un compressore. Questo aumenta la temperatura del gas e il calore ottenuto può essere utilizzato per il riscaldamento o per i processi industriali.

Nelle pompe di calore convenzionali, la temperatura e la curva di temperatura possibili dipendono principalmente dal refrigerante. Tutti i componenti della pompa di calore - evaporatore, compressore, condensatore e farfalla - sono adattati a questo refrigerante. Se un'azienda ha diverse esigenze di calore nel suo stabilimento, ognuna con temperature diverse, attualmente richiede pompe di calore diverse con refrigeranti diversi. Poiché ciò è costoso e scomodo, le pompe di calore non si sono ancora affermate nell'industria.

La miscela di refrigeranti consente la flessibilità

Se André Bardow, professore di Ingegneria dei Sistemi Energetici e di Processo presso l'ETH di Zurigo, ha ragione, tutto questo cambierà presto: "Invece di un singolo refrigerante, utilizziamo una miscela. Questo permette a una pompa di calore di utilizzare diverse fonti di calore e di generare diverse curve di temperatura".

A seconda dell'applicazione, è necessaria una diversa composizione della miscela. Il vantaggio è che le aziende non devono più riprogettare l'intera pompa di calore se hanno bisogno di una temperatura diversa. Devono solo regolare la miscela, il che è molto più economico e semplice.

La miscela è composta da un refrigerante classico e da un altro componente. La curva di temperatura della pompa di calore dipende dal rapporto di questi due ingredienti. "In linea di principio, è possibile realizzare qualsiasi curva per i processi industriali al di sotto dei 200 gradi. Questo è il grande punto di forza della nostra tecnologia", afferma Bardow.

Trovata la miscela ottimale con un modello computerizzato

Per trovare i componenti giusti per la miscela di refrigerante, i ricercatori hanno sviluppato un modello al computer che simula il ciclo della pompa di calore con diverse varianti di miscela. "Abbiamo ampliato i modelli termodinamici esistenti per il funzionamento delle pompe di calore integrando nell'ottimizzazione non solo i componenti della pompa di calore ma anche la composizione della miscela", spiega Dennis Roskosch, Senior Scientist del gruppo di ricerca di Bardow.

Il modello dei ricercatori si basa su oltre 200 milioni di molecole sintetiche conosciute e simula la miscela di due molecole con cui la pompa di calore funziona in modo più efficiente.

Primi partner per l'impianto pilota

Una volta trovata la miscela di refrigeranti ottimale, i ricercatori l'hanno testata con successo nel laboratorio di pompe di calore dell'OST - Ostschweizer Haute école spécialisée. "Siamo riusciti a dimostrare che la nostra miscela aumenta l'efficienza di una pompa di calore industriale disponibile sul mercato fino al 25%, come previsto", afferma il professore Stefan Bertsch, responsabile del laboratorio di pompe di calore. I ricercatori hanno anche dimostrato come le diverse composizioni della miscela influenzino la curva di temperatura.

Nella fase successiva, l'azienda vuole diventare ancora più concreta e dimostrare il potenziale della sua tecnologia per 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 ai 200 gradi.

I ricercatori stanno lavorando a stretto contatto con alcuni produttori di pompe di calore come MAN Energy Solutions e Scheco AG e con partner industriali svizzeri come Lindt. Il prossimo passo è pianificare e costruire un impianto pilota per consentire ulteriori test.