Nuovi progetti di pompe di calore eliminano i refrigeranti a favore dei magneti

Migliorare la generazione di calore

Tra tutte le possibili richieste di energia, il calore è l’uso finale più elevato (incluso, ad esempio, l’elettricità trasformata in calore). Ha quindi senso che la decarbonizzazione avverrà solo se la generazione di calore avviene nel modo più ecologico possibile e con grande efficienza.

Questo è ancora lontano dall’essere realizzato, poiché i combustibili fossili rappresentano il 63: % dell’uso energetico globale per il riscaldamento degli edifici, con una diminuzione di soli 4 punti percentuali dal 2010.

Fonte: IEA

Questo è un ostacolo importante a qualsiasi scenario a zero netto, richiedendo almeno lo stesso sforzo del passaggio dei 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 qualcosa per produrre calore, lo spostano da un punto all’altro.

Anche se sono più efficienti, le pompe di calore potrebbero ancora essere migliorate. È su questo che stanno lavorando i ricercatori dell’Ames National Laboratory (USA) e dell’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, sotto il titolo “Tecnologia di pompa di calore magnetocalorica scalabile e compatta¹“.

Come funzionano le pompe di calore tradizionali?

Il concetto chiave di una pompa di calore è “catturare” energia in un luogo e trasportarla in un altro.

Tipicamente, estrae calore dall’ambiente intorno a una casa o altri edifici e lo immette nuovamente all’interno.

Poiché non viene effettivamente generato calore, ma solo spostato, può mostrare tassi di efficienza superiori al 100 % quando misurati in Wattora (Wh) di elettricità consumata.

Questo sistema è anche più polivalente rispetto a un sistema di riscaldamento tradizionale, poiché può funzionare anche al contrario. Quindi, nella maggior parte dei casi, può fungere anche da raffreddamento durante i mesi estivi.

Fonte: The Heat Pump Warehouse

La 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 o decompressi.

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

Tuttavia, questo potrebbe non essere il miglior design possibile per una pompa di calore, con i magneti che diventano un forte concorrente.

Tipi di pompe di calore

Diversi progetti di pompe di calore differiscono in diversi modi, includendo dove estraggono l’energia, dove la inviano e se sono adattati ai climi freddi o meno.

Fonti di energia

• Fonte terrestre: Conosciute anche come pompe di calore geotermiche, sfruttano il calore dal terreno e sono note per la loro alta efficienza.
• Fonte d’aria: Il tipo più comune, queste estraggono calore dall’aria e sono più facili da installare rispetto alle pompe a fonte terrestre.
• Fonte d’acqua: Queste utilizzano fonti d’acqua vicine come laghi o pozzi per lo scambio termico.

Installazione

• Canalizzata: Integrate nel sistema di condotti di una casa, forniscono riscaldamento e raffreddamento centralizzati.
• Mini-split: Ideale per case senza condotti, consentono il controllo individuale della temperatura delle stanze.

Clima

• Clima freddo: Progettate specificamente per regioni con inverni rigidi, queste pompe di calore mantengono l’efficienza anche a temperature estremamente basse grazie a funzionalità avanzate come compressori a velocità variabile.
• Clima normale: Ideali per climi moderati, queste sono pompe di calore standard adatte alle esigenze tipiche di riscaldamento e raffreddamento.

Metodo di trasferimento del calore

• Compressione del gas: Funziona ragionevolmente bene, con una tecnologia semplice e conosciuta.
• Magneti: Un sottoinsieme della più ampia pompa di calore calorica a “stato solido”, che non richiede refrigerante.

Tecnologia della pompa di calore magnetocalorica (MCHP)

MCHP utilizza 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 può essere un sistema molto migliore, poiché elimina la necessità di materiali refrigeranti, generalmente tossici e/o dannosi per l’ambiente, che spesso perdono dalle pompe di calore tradizionali, soprattutto quando l’attrezzatura invecchia.

Negli anni, sono stati proposti molti diversi progetti di pompe di calore magnetocaloriche utilizzando configurazioni differenti:

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

Questi sistemi hanno dimostrato un’efficienza superiore a quella dei migliori sistemi a compressione di vapore. Anche la loro ampiezza di temperatura e potenza termica erano ben corrispondenti.

Tuttavia, non era ancora stato dimostrato che questi sistemi potessero eguagliare le pompe di calore tradizionali per quanto riguarda costi, massa e dimensioni, tutti fattori importanti per il 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 una vasta gamma di SPD, che varia da circa 1 a 40 W/kg.

Interessante, due dei progetti con la SPD più alta avevano approcci completamente diversi: uno utilizzava campi magnetici elevati ad alte frequenze, l’altro campi bassi a basse frequenze. Quindi probabilmente esistono più approcci, tutti tecnicamente validi.

Competere con i compressori

I ricercatori hanno investigato molteplici modi per aumentare la SPD, un ambito di ricerca finora trascurato, con l’efficienza assoluta e più incentrato sui ricercatori delle scienze dei materiali.

Tuttavia, è la SPD che probabilmente avrà la maggiore importanza 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 una stanza intera o troppo pesanti da maneggiare facilmente.

Hanno utilizzato una varietà di metodi:

• Variazione della lega magnetica utilizzata:
  • La potenza per massa era 374 W/kg per il solo gadolinio.
  • Era 854 W/kg per i materiali a base di LaFeSi.
• Diversi progetti del materiale magnetico, da piastre a perline.
• Impulsi magnetici diversi, variabili in frequenza e intensità.

Attraverso questi test sistematici, i ricercatori hanno scoperto che da una base tecnica di 5,9 W/kg, i sistemi MCHP possono essere aumentati fino a 81,3 W/kg, ovvero quasi un incremento di 14 volte nella densità di potenza del sistema.

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

Aziende di pompe di calore magnetocaloriche

La successiva non sembra essere ancora una società quotata in borsa che venda MCHP. Tuttavia è un settore molto attivo con molte startup, spesso spin-off di ricerche all’avanguardia svolte nelle migliori università. Per esempio:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, è una filiale del gruppo tedesco HYDAC Group(anche privato).
• Camfridge

Quindi, sebbene non sia molto facile da accedere, può essere un’idea interessante per persone che sono investitori accreditati e hanno accesso a tali investimenti.

Azienda del gadolinio

Il gadolinio è una terra rara, e il 97: % della produzione globale (diossido di gadolinio) è prodotta dalla Cina.

Curiosamente, il metallo attualmente ha poche applicazioni oltre a usi di nicchia come l’assorbimento di neutroni in alcuni reattori nucleari o agenti di contrasto magnetico per la risonanza magnetica, e sarebbe quindi una risorsa perfetta da utilizzare al posto del refrigerante inquinante attualmente usato nelle pompe di calore.

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

Una potenziale azienda è Neo Materials.

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

Fonte: Neo Materials

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

L’azienda ricava la maggior parte dei suoi ricavi da “Magnequench”: polveri magnetiche e magneti neodimio‑ferro‑boro (NdFeB) utilizzati nei motori elettrici (inclusi i veicoli elettrici).

Il secondo più grande proviene da Chimici e Ossidi usati nei catalizzatori petroliferi e chimici, ibridi ed EV, nella purificazione dell’acqua, display ad alta efficienza, lenti ottiche, elettronica di consumo, ecc.

Fonte: Neo Materials

I ricavi di Neo sono anche molto diversificati geograficamente, rendendola più sicura dalle tempeste geopolitiche rispetto alla maggior parte delle aziende del settore. Produce alcuni prodotti in Cina e ha 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. Per esempio, l’azienda costruirà 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 Materials

Nel complesso, Neo Materials ha la presenza più integrata nella catena del valore dei magneti permanenti e delle terre rare fuori dalla Cina, con solo l’estrazione del minerale grezzo non verticalmente integrata.

L’azienda dispone anche di più lauree avanzate in terre rare e esperti tecnici nei prodotti magnetici di terre rare rispetto a qualsiasi altra azienda al di fuori di Cina o Giappone. E anche in Giappone, può superare i concorrenti locali per firmare contratti con aziende come Honda o Daido Steel.

Fonte: Neo Materials

Questa forte presenza in materiali critici per la transizione verde, così come molte applicazioni high‑tech dalla produzione di semiconduttori a leghe speciali e catalizzatori, rende Neo una buona scelta azionaria per gli investitori che cercano esposizione al settore, con un potenziale rialzo in caso di peggiori guerre commerciali.

Riferimento allo studio:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Una revisione completa delle applicazioni del machine learning nei sistemi di energia rinnovabile. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124696}