I nuovi progetti di pompe di calore eliminano i magneti al posto dei refrigeranti

Migliorare la generazione di calore

Tra tutte le possibili richieste di energia, il calore è l'uso finale più elevato (inclusa, ad esempio, l'elettricità trasformata in calore). Quindi ha senso che la decarbonizzazione avverrà solo se la generazione di calore verrà effettuata nel modo più ecologico possibile e in modo molto efficiente.

Ma questo obiettivo è ben lungi dall'essere raggiunto, poiché i combustibili fossili rappresentano il 63% dell'energia utilizzata a livello mondiale per il riscaldamento degli edifici, con un calo di soli 4 punti percentuali dal 2010.

Fonte: AIE

Si tratta di un ostacolo importante per qualsiasi scenario di emissioni nette pari a zero, che richiederebbe almeno lo stesso sforzo necessario per convertire i singoli mezzi di trasporto ai veicoli elettrici.

Per ora, il metodo principale è stato quello di rivolgersi alle pompe di calore, che, invece di bruciare cose per produrre calore, lo spostano da un punto all'altro.

Anche se più efficienti, le pompe di calore potrebbero comunque essere migliorate. È ciò su cui stanno lavorando i ricercatori dell'Ames National Laboratory (USA) e della Iowa State University, con un nuovo tipo di pompa di calore chiamata "pompa di calore magnetocalorica".

Hanno recentemente pubblicato i loro ultimi risultati sulla rivista Applied Energy, con il titolo “Tecnologia della pompa di calore magnetocalorica scalabile e compatta¹".

Come funzionano le pompe di scarico tradizionali?

Il concetto chiave di una pompa di calore è quello di “catturare” l’energia da un posto e trasportarla in un altro.

In genere, estrae calore dall'ambiente circostante una casa o altri edifici e lo reimmette all'interno.

Poiché non viene effettivamente generato calore, ma solo spostato, è possibile ottenere tassi di efficienza superiori al 100% se misurati in wattora (Wh) di elettricità consumata.

Questo sistema è anche più polivalente di un sistema di riscaldamento tradizionale, in quanto può funzionare anche al contrario. Quindi, nella maggior parte dei casi, può raddoppiare anche il raffreddamento durante i mesi estivi.

Fonte: Il magazzino delle pompe di calore

Una tipica pompa di calore utilizza un sistema di compressione del gas per spostare il calore, poiché i gas assorbono o rilasciano calore quando vengono compressi/decompressi.

La compressione del gas è il metodo più comunemente utilizzato, perché è una tecnologia molto nota, che si basa su valvole, tubi e compressori non molto diversi da quelli utilizzati decenni fa.

Tuttavia, questa potrebbe non essere la migliore progettazione possibile per una pompa di calore, in quanto il magnete sta diventando un valido concorrente.

Tipi di pompe di calore

I diversi progetti di pompe di calore differiscono in diversi modi, tra cui: dove estraggono l'energia, dove la inviano e se sono adattati o meno ai climi freddi.

EFonti di energia

• Fonte terrestre: Conosciute anche come pompe di calore geotermiche, sfruttano il calore del terreno e sono note per la loro elevata efficienza.
• Fonte d'aria: Il tipo più comune, estraggono il calore dall'aria e sono più facili da installare rispetto alle pompe geotermiche.
• Sorgente d'acqua: Questi utilizzano fonti d'acqua vicine come laghi o pozzi per lo scambio di calore.

SERVIZIO DI

• Canalizzato: Integrati nelle condutture di una casa, forniscono riscaldamento e raffreddamento centralizzati.
• Mini-split: Ideali per le case senza condotti, consentono il controllo individuale della temperatura ambiente.

Clima

• Clima freddo: Progettate specificatamente per regioni con inverni rigidi, queste pompe di calore mantengono l'efficienza anche a temperature estremamente fredde grazie a funzionalità avanzate come i compressori a velocità variabile.
• Clima normale: Ideali per i climi moderati, si tratta di pompe di calore standard adatte alle tipiche esigenze di riscaldamento e raffrescamento.

Metodo di trasferimento del calore

• Compressione del gas: Funziona abbastanza bene, con una tecnologia semplice e nota.
• magneti: Un sottoinsieme della pompa di calore calorica “allo stato solido” più grande, che non necessita di refrigerante.

Tecnologia della pompa di calore magnetocalorica (MCHP)

L'MCHP sfrutta i principi degli effetti magnetocalorici, ovvero il raffreddamento o il riscaldamento di materiali magnetici mediante la variazione di un campo magnetico applicato esternamente.

Fonte: DST

In teoria, questo potrebbe essere un sistema molto migliore, poiché elimina la necessità di materiali refrigeranti, generalmente tossici e/o dannosi per l'ambiente, che molto spesso fuoriescono dalle pompe di calore tradizionali, soprattutto quando le apparecchiature invecchiano.

Nel corso degli anni sono stati proposti molti progetti diversi per pompe di calore magnetocaloriche che utilizzano configurazioni diverse:

• Diverse intensità dei campi magnetici.
• Diversi materiali magnetocalorici, come il gadolinio puro, leghe di gadolinio e leghe LaFeSi (lantanio-ferro-silicio).
• Diverse forme per il materiale magnetocalorico.

Questi sistemi hanno dimostrato un'efficienza superiore ai migliori sistemi a compressione di vapore. Anche la loro gamma di temperature e la loro potenza termica erano una buona combinazione.

Tuttavia, doveva ancora essere dimostrato che questi sistemi potessero competere con le pompe di calore tradizionali in termini di costi, massa e dimensioni, tutti fattori importanti per un potenziale successo commerciale.

Prestazioni variabili

I ricercatori hanno misurato la densità di potenza del sistema (SPD) di diversi progetti MCHP proposti, ovvero la potenza termica in watt divisa per la massa del dispositivo in kg.

La letteratura scientifica esistente mostra un'ampia varietà di SPD, che vanno da circa 1 a 40 W/kg.

È interessante notare che due dei progetti con il più alto SPD avevano approcci completamente diversi: uno utilizzava campi magnetici elevati ad alte frequenze e uno utilizzava campi bassi a basse frequenze. Quindi ci sono probabilmente più approcci, ciascuno tecnicamente fattibile.

Competere con i compressori

I ricercatori hanno studiato diversi modi per potenziare l'SPD, un ambito di ricerca finora trascurato, con assoluta efficienza e su cui si concentrano maggiormente i ricercatori in scienze dei materiali.

Tuttavia, sarà probabilmente l'SPD a fare la differenza per l'adozione di massa di tali pompe di calore, poiché nessun utente finale, sia consumatore che costruttore, accetterà pompe di calore delle dimensioni di un'intera stanza o troppo pesanti per essere maneggiate facilmente.

Hanno utilizzato diversi metodi:

• Variante della lega magnetica utilizzata:
  • La potenza per massa era di 374 W/kg per il solo gadolinio.
  • Per i soli materiali a base di LaFeSi era pari a 854 W/kg.
• Diversi tipi di materiale magnetico, dalle piastre alle perle.
• Diversi impulsi magnetici, che variano in frequenza e intensità.

Attraverso questi test sistematici, i ricercatori hanno scoperto che partendo da una base tecnica di 5.9 W/kg, i sistemi MCHP possono essere potenziati fino a 81.3 W/kg, ovvero con un aumento di quasi 14 volte della densità di potenza del sistema.

Da questi risultati, sembra che le pompe di calore MCHP possano quasi eguagliare l'SPD di alcune pompe di calore basate su compressori attualmente utilizzate, in particolare per potenze di raffreddamento basse o moderate (< 200 W).

Aziende di pompe di calore magnetocaloriche

La prossima non sembra essere una società quotata in borsa che attualmente vende MCHP. È tuttavia un campo molto attivo con molte startup, spesso spin-off di ricerche all'avanguardia svolte nelle migliori università. Ad esempio:

• magnete
• Magnotermia
• Tecnologia fredda, è una filiale della tedesca Gruppo HYDAC(anch'essa di proprietà privata).
• Frigorifero

Quindi, anche se non è di facile accesso, può essere un'idea interessante per gli investitori accreditati e che hanno accesso a tali investimenti.

Società di Gadolinio

Il gadolinio è una terra rara e il 97% della produzione mondiale (biossido di gadolinio) è realizzata dalla Cina.

È interessante notare che attualmente il metallo ha poche applicazioni, a parte utilizzi di nicchia come l'assorbimento di neutroni in alcuni reattori nucleari o come agenti di contrasto magnetici per la risonanza magnetica, e sarebbe quindi una risorsa perfetta da utilizzare al posto del refrigerante inquinante attualmente impiegato nelle pompe di calore.

Poiché le tensioni commerciali tra Stati Uniti e Cina sono aumentate costantemente sin dalla prima presidenza di Trump, è probabile che gli investitori occidentali disposti a scommettere sulle terre rare, tra cui il gadolinio, preferiranno fonti alternative.

Una di queste aziende potenzialmente interessanti è Neo Materials.

Neo Materials è specializzata nella produzione di terre rare e materiali critici. Ciò include il gadolinio, ma anche altre terre rare e materiali critici, come afnio, niobio, gallio e magneti di terre rare.

Fonte: Neo materiali

Tutti questi prodotti sono essenziali per la produzione di semiconduttori, magneti per turbine eoliche, veicoli elettrici, ecc. E nella maggior parte dei casi sono forniti al 90-99% dalla Cina.

La società ricava la maggior parte dei suoi ricavi da “Magnequench”: polveri magnetiche e magneti al neodimio-ferro-boro (NdFeB) utilizzati nei motori elettrici (inclusi i veicoli elettrici).

La seconda fonte più grande è rappresentata da sostanze chimiche e ossidi utilizzati nei catalizzatori chimici e petroliferi, nei veicoli ibridi e nei veicoli elettrici, nella depurazione delle acque, nei display ad alta efficienza, nelle lenti ottiche, nell'elettronica di consumo, ecc.

Fonte: Neo materiali

I ricavi di Neo sono anche molto diversificati geograficamente, il che la rende più al sicuro dalle tempeste geopolitiche rispetto alla maggior parte delle aziende del settore. Produce alcuni prodotti in Cina e ha persino trasformato AsiaMag, un'acquisizione del 2019, nei primi 5 maggiori produttori di magneti legati in Cina, aumentando il volume delle vendite di 5 volte.

Ma diversifica anche il suo rischio geografico. Ad esempio, la società costruirà in particolare nell'UE (Estonia) il primo impianto di magneti sinterizzati per EV al di fuori della Cina, con la prima produzione prevista per il 2025.

Fonte: Neo materiali

Nel complesso, Neo Materials ha la presenza più integrata nella filiera dei magneti permanenti e delle terre rare al di fuori della Cina, con la sola attività di estrazione del minerale grezzo non integrata verticalmente.

L'azienda ha anche più lauree specialistiche in terre rare ed esperti tecnici in prodotti magnetici in terre rare rispetto a qualsiasi altra azienda al di fuori della Cina o del Giappone. E persino in Giappone, può battere i concorrenti locali per firmare contratti con aziende come Honda o Daido Steel.

Fonte: Neo materiali

Questa forte presenza nei materiali essenziali per la transizione verde, così come le numerose applicazioni high-tech che vanno dalla produzione di semiconduttori alle leghe speciali e ai catalizzatori, rendono Neo una buona scelta azionaria per gli investitori che cercano un'esposizione al settore, con un potenziale rialzo in caso di peggioramento delle guerre commerciali.

Riferimento di studio:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z. e Chen, H. (2024). Una revisione completa delle applicazioni di apprendimento automatico nei sistemi di energia rinnovabile. Energia applicata, 350 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}