Avanzare le soluzioni HVAC con materiali elettrocalorici

La massiccia domanda energetica da HVAC

Modern industrial society uses a lot of energy. One application we tend to underestimate when it comes to energy usage is cooling and heating. Rappresenta più della metà del consumo energetico totale mondiale, superando l’elettricità (20%) e i trasporti (30%).

Quindi forse, anche più degli EV, elettrificare HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) e renderlo più efficiente è fondamentale per ridurre il consumo energetico e le emissioni di carbonio. Specialmente poiché la domanda di raffreddamento dovrebbe triplicare entro il 2050 a causa dello sviluppo economico nei paesi a clima caldo con grandi popolazioni, come ad esempio India e Indonesia.

Fonte: Daikin

Fino ad ora, la tecnologia preferita per ottenere HVAC ad alta efficienza è stata quella delle pompe di calore che utilizzano il raffreddamento a compressione.

Una nuova tecnologia sta ora sfidando lo status quo, basata su un principio fisico chiamato “raffreddamento elettrocalorico”.

Come funzionano le pompe di calore

All pompe di calore, from compression heat pumps to future electrocaloric heat pumps, function on a basic principle: moving heat instead of generating it.

Questo è un principio molto diverso rispetto ai sistemi di riscaldamento basati su combustibili fossili e altri sistemi di riscaldamento elettrico, nei quali si consuma elettricità o gas/carbone/petrolio per produrre calore.

Una pompa di calore, invece, prende il calore da un lato di una parete e lo trasferisce all’altro lato. In inverno, assorbe il calore dall’esterno e lo invia all’edificio. In estate, inverte questo processo per raffreddare l’edificio e funziona come un condizionatore d’aria.

Spostare il calore è molto più efficiente che generarlo. Questo permette a una pompa di calore a compressione di generare 2-4 W di calore/raffreddamento per ogni W di potenza consumata.

Fonte: RMI

Il calore si muove dentro e fuori l’ambiente, con le due opzioni principali che sono l’uso dell’aria esterna o del suolo circostante tramite tubazioni sotterranee.

Le pompe di calore sono più spesso utilizzate per riscaldare e raffreddare edifici come uffici, spazi commerciali e abitazioni. Tuttavia, possono anche essere impiegate in ambito industriale, riutilizzando fonti energetiche da un processo industriale a un altro, portando a enormi risparmi energetici anche in questo contesto.

Fonte: Sintef

Pompe di calore elettrocaloriche per andare oltre la compressione

Progressi nella tecnologia elettrocalorica

Traditional heat pumps use the thermal effect of compression & decompression to move the heat from one point to another. This requires refrigerant agents like hydrofluorocarbons or ammonia which have either direct or indirect greenhouse effects on the climate.

Il principio elettrocalorico è diverso. Un sistema elettrocalorico si riscalda quando è esposto a campi elettrici, poiché fa allineare gli atomi in una singola direzione, riducendo l’entropia. L’effetto inverso avviene, causando raffreddamento quando i campi elettrici si interrompono.

Fonte: Fraunhofer IPM

Gli effetti elettrocalorici sono noti dal 1960, ma allora la differenza di temperatura più alta che si poteva ottenere era solo di 2,5 °C.

Alcuni progressi sono stati fatti nel 2006 quando un film sottile di piombo-titanio-ossigeno- zirconio ha raggiunto una capacità di raffreddamento di 12 °C.

Tuttavia, la recente svolta di quasi 21 °C di variazione di temperatura, ottenuta dai ricercatori del Luxembourg Institute of Science and Technology a Belvaux, dimostra che la tecnologia sta diventando sufficientemente potente per applicazioni commerciali.

Prototipo elettrocalorico

The team used a polymer and lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).

Fonte: UPCommons

I ricercatori lussemburghesi hanno creato un prototipo che ha raggiunto il massimo raffreddamento con meno di 10 V per micrometro di potenza, ottenendo un raffreddamento massimo di 4,2 W.

Fonte: Techspot

Questo è un miglioramento radicale rispetto a tutti i metodi precedentemente sviluppati, con l’intervallo di temperatura e la potenza di raffreddamento, rispettivamente, 50 % e 15 volte più grandi rispetto ai migliori dispositivi elettrocalorici precedenti.

Ciò colloca il prototipo di gran lunga al di sopra di tutti i concetti elettrocalorici precedentemente testati.

Fonte: UPCommons

Fonte: UPCommons

Il materiale è stato anche testato per cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento e non ha mostrato segni di degradazione.

Tra i numerosi vantaggi dei sistemi elettrocalorici vi è il fatto che l’uso diretto dell’elettricità rende i refrigeratori EC compatti in volume e adatti alla miniaturizzazione. Quindi, oltre alle future pompe di calore, potrebbe anche essere utilizzato in piccoli dispositivi elettronici e batterie.

Ha anche un’efficienza molto elevata, potenzialmente molto superiore a quella che il sistema di pompe di calore a compressione può sperare di raggiungere.

Ulteriori miglioramenti

La ricerca pubblicata sulla rivista Science descrive un prototipo. Alcuni ulteriori miglioramenti sono discussi anch’essi.

Ad esempio, l’attuale prototipo utilizza un fluido dielettrico anziché acqua per prevenire cortocircuiti. Tuttavia, questo fluido dielettrico ha scarse proprietà termiche rispetto all’acqua.

Quindi, lo sviluppo di condensatori multicondensatori (MLC) impermeabili potrebbe migliorare significativamente la velocità e la capacità di raffreddamento del sistema.

Aumentare il numero e la densità dei MLC potrebbe anche portare a un maggiore potenziale di raffreddamento.

Infine, moduli elettrocalorici più sottili e più piatti sarebbero utili, e non è chiaro se l’applicazione di campi elettrici più elevati sia possibile e sicura.

Aziende avanzate di pompe di calore

Attualmente non esiste alcuna azienda che commercializzi pompe di calore o sistemi di raffreddamento elettrocalorici. È ancora un campo prevalentemente accademico e di fisica applicata.

Tuttavia, è probabile che ora che la tecnologia sta evolvendo a un livello di efficienza che rende la commercializzazione fattibile, questi istituti di ricerca cercheranno di monetizzare i loro brevetti.

Quindi, potrebbe essere interessante osservare i leader nell’industria delle pompe di calore che potrebbero beneficiare della concessione in licenza della proprietà intellettuale per dispositivi elettrocalorici.

È anche probabile che la creazione di sistemi elettrocalorici di grado commerciale e la loro distribuzione agli utenti finali sarà un processo molto intensivo in termini di capitale, favorendo i maggiori attori del settore.

1. Carrier Global

Carrier è un leader in HVAC (commerciale e residenziale), catena del freddo, e incendio e sicurezza, con oltre 58.000 dipendenti. Pur non vendendo solo pompe di calore, è una categoria di prodotto su cui l’azienda si concentra e che vede come il futuro del settore.

Si concentra principalmente sulle Americhe, con l’HVAC che rappresenta più della metà delle sue vendite.

Fonte: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]

Ha una base installata di oltre 330.000 HVAC commerciali, 33 milioni di HVAC residenziali, 1,8 milioni di apparecchiature di refrigerazione e oltre 90 milioni di sistemi di incendio e sicurezza.

L’azienda è determinata a ridurre drasticamente le sue emissioni di gas serra (GHG) entro il 2030.

Considerando che molte di queste emissioni provengono da refrigeranti a base di ammoniaca, la possibilità di passare a un sistema elettrocalorico in futuro offre al settore una via in cui le sole emissioni sono legate al consumo energetico e all’estrazione di metalli, che saranno alimentati da fonti rinnovabili.

Fonte: Carrier Global

2. Daikin Industry

The Japanese company founded in 1924 can claim to be the world’s number 1 air conditioning company.

L’azienda giapponese fondata nel 1924 può vantare di essere la prima azienda mondiale di condizionamento d’aria.

L’azienda è attiva nel settore delle pompe di calore dal 2006 e ha stabilito già nel 2008 un’alleanza commerciale con Gree Electric Appliance, il principale produttore cinese di condizionatori d’aria.

Vende principalmente nelle Americhe, in Europa e nell’Asia orientale, ma ha sperimentato una crescita esplosiva in mercati come l’India, con un aumento delle vendite di 23 volte tra il 2009 e il 2022.

Fonte: Daikin

Uno dei punti di forza competitivi di Daikin è il suo refrigerante R32, con un impatto molto più basso sul riscaldamento globale rispetto ai concorrenti.

Ciò significa che l’emergere di sistemi elettrocalorici potrebbe a breve rappresentare una minaccia per la posizione competitiva dell’azienda.

Fonte: Daikin

Ma allo stesso tempo, riflette l’attenzione preesistente dell’azienda sull’impatto ambientale dei sistemi di raffreddamento e sulle capacità di innovazione (ha investito 300 milioni di dollari in un nuovo centro R&D nel 2015) e la renderebbe un buon candidato per sviluppare questi sistemi su scala commerciale.

Un forte indicatore dell’impegno di Daikin per l’innovazione ecologica è l’accesso gratuito a livello mondiale ai brevetti di base per R32 dal 2015 e l’accesso gratuito nel 2019 a tutti i brevetti del gruppo dal 2011.

3. NIBE Group

Gli investitori interessati alla prospettiva delle pompe di calore e dei sistemi elettrocalorici potrebbero cercare un’azienda completamente dedicata al settore, senza le distrazioni e i rischi associati ad altre tecnologie.

In questo caso, potrebbero essere interessati a Nibe, un produttore europeo di pompe di calore, nonché di stufe a legna (un’altra fonte di calore a impatto zero).

L’azienda proviene originariamente dalla Svezia e continua a realizzare gran parte delle sue vendite nei paesi nordici, nonché in Europa. Nel 2022 contava 21.333 dipendenti.

Fonte: Nibe

Le pompe di calore dell’azienda hanno evitato le emissioni di 360.000 tonnellate di CO2 in un solo anno.

Essendo un’azienda più focalizzata, Nibe è grande quanto Daikin o Carrier per quanto riguarda solo le pompe di calore.

Con la ricerca sui materiali elettrocalorici avanzata in paesi come Lussemburgo e Germania, ciò potrebbe aprire la strada a aziende europee come Nibe per stabilire relazioni privilegiate con i ricercatori ed essere tra le prime a espandere la loro offerta oltre le pompe di calore basate su compressione.