Sviluppo di sistemi avanzati per il miglioramento del rendimento termodinamico delle pompe di calore ad adsorbimento

Risultato della ricerca:

Oggetto della ricerca è stato lo sviluppo di sistemi avanzati per il miglioramento del rendimento termodinamico delle pompe di calore ad adsorbimento. In questo modo è possibile effettuare la compressione del vapore sostituendo l’energia elettrica con energia termica in qualità di fonte primaria per guidare l’intero ciclo termodinamico. Le pompe di calore ad adsorbimento sono, quindi, alimentate da energia rinnovabile, per esempio da solare termico o da calore di recupero dai fumi di combustione.
Il risultato che si presenta in questa proposta è la produzione di uno speciale rivestimento costituito da microfibre di materiale adsorbente ottenuto mediante una tecnica di produzione
avanzata denominata elettrospinning. Questo rivestimento comporta un miglioramento significativo del rendimento termico della pompa di calore ad adsorbimento perché consente di ottenere un adsorbitore, il cuore delle macchine ad adsorbimento, ad alte prestazioni in cui il contatto diretto del rivestimento attivo riduce significativamente le resistenze di scambio termico sulle pareti metalliche dello scambiatore di calore. Il rivestimento proposto, inoltre, presenta un’elevata area superficiale, grande permeabilità ai vapori e resistenza meccanica, tutte caratteristiche che migliorano significativamente le prestazioni della macchina nel suo complesso.
I vantaggi del rivestimento a microfibre sono ulteriormente rafforzati dall’impiego di materiali adsorbenti opportunamente sviluppati, ad elevate prestazioni, ricavati a partire dalle zeoliti allumino-fosfatiche. La proposta prevede, infatti, anche l’utilizzo di materiali adsorbenti non commerciali ma appositamente preparati per sintesi idrotermale.
Riassumendo, i tre punti fondamentali che rendono la proposta decisamente innovativa rispetto a tutte le attuali soluzioni di mercato sono:
1) la realizzazione di adsorbitori innovativi le cui superfici sono direttamente rivestite da strati di microfibre di materiale adsorbente;
2) la produzione altamente efficiente di rivestimenti di microfibre ibride mediante elettrospinning;
3) l’impiego di materiali adsorbenti nanoporosi opportunamente sintetizzati basati su zeoliti AlPO e SAPO.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

I risultati della ricerca non sono stati oggetto di precedenti finanziamenti.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Le macchine ad adsorbimento disponibili sul mercato utilizzano come materiale adsorbente il gel di silice in granuli e sono macchine a basso rendimento, di dimensioni e pesi elevati. Nel corso degli anni sono state studiate e proposte altre tipologie di adsorbitori oltre a quella commerciale a letto di granuli: i) adsorbitori su cui è depositato uno strato di materiale adsorbente mescolato con un legante polimerico, ii) adsorbitori sulla cui superficie si ottiene un rivestimento di materiale adsorbente per sintesi diretta. Entrambe le due soluzioni, tuttavia, dopo un iniziale impiego in macchine commerciali sono state abbandonate. Nel caso del rivestimento con leganti polimerici, pur ottenendo un miglioramento del contatto tra materiale adsorbente e superficie dello scambiatore questa soluzione presenta limitazioni nello spessore del rivestimento ottenibile. La sintesi diretta del materiale adsorbente sullo scambiatore, invece, è il metodo che garantisce il migliore contatto all’interfaccia e quindi le minori resistenze allo scambio termico. Presenta, tuttavia, grandi difficoltà dovute alla necessità di effettuare una reazione chimica direttamente sulla superficie dello scambiatore e per la limitazione negli spessori ottenibili.
I punti di forza della iniziativa proposta rispetto allo scenario presentato si basano, dunque, sui seguenti aspetti:
– viene abbandonata la tecnologia a granuli per la produzione di adsorbitori rivestiti che sono notoriamente più efficienti,
– il materiale adsorbente viene autoprodotto, può essere personalizzato ed inoltre evita la dipendenza dalla disponibilità di mercato,
– il rivestimento degli adsorbitori mediante microfibre prodotte per elettrospinning è un processo economicamente conveniente rispetto ad altri metodi di produzione delle microfibre, flessibile e automatizzato, decisamente meno costoso se confrontato con i rivestimenti a sintesi diretta.

Titoli di proprietà intellettuale:

Il processo per l’ottenimento del rivestimento è oggetto di domanda per brevetto d’invenzione (IT Italia) Nr.102018000003884 del 22-mar-2018 dal titolo: “Metodo per la realizzazione dello scambiatore di calore di una macchina termica ad adsorbimento e rispettiva macchina termica”. È stata presentata domanda di brevetto Europeo Nr 19164536.5-1107 del 15-mag-2019: “A Method for making the heat exchanger of a thermal adsorption machine and the respective thermal machine”

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

Il prodotto sviluppato si rivolge al settore delle macchine e sistemi che utilizzano il principio dell’adsorbimento reversibile su solidi per ottenere recupero di energia e produzione di caldo/freddo con una particolare pompa di calore detta “ad adsorbimento”.
Viene proposto un sistema per aumentare il rendimento termodinamico di queste macchine che ancora oggi hanno prestazioni inferiori ai tradizionali sistemi a compressione meccanica ma che trovano un mercato di sbocco nell’ambito delle tecnologie a basso impatto ambientale e che usano energia rinnovabile (solare termico). Si tratta di un mercato ancora poco diffuso in Italia ma già sviluppato in nord Europa, Cina, Giappone e Stati Uniti.
La soluzione proposta consiste nella realizzazione di adsorbitori innovativi, per pompe di calore ad adsorbimento, le cui superfici sono rivestite di microfibre di materiale adsorbente ottenute per elettrospinning. La tecnologia sviluppata consente anche la possibilità di utilizzare vari tipi di materiali adsorbenti alcuni dei quali non propriamente commerciali, come le zeoliti alluminofosfatiche, che vengono appositamente sintetizzati.
Altri ambiti di applicazioni sono i sistemi statici per l’accumulo di energia termica, i moduli ad adsorbimento integrati nelle caldaie a condensazione, i moduli a recupero di calore integrati in elettrodomestici ad elevato risparmio energetico.

Nel settore dei sistemi ad adsorbimento sono nove le aziende attive sul mercato europeo: Coolar (Germania), Fahrenheit (Germania), IBM (Svizzera), InvenSor (Germania), EEE Güssing (Austria), Millenium Energy Industries (Regno Unito), SolabCool (Paesi Bassi), Sorption Energy (Regno Unito), Weatherite (Regno Unito) localizzate prevalentemente in Europa settentrionale. Secondo quanto riportato nelle stime della TECSOL/SOLEM Consulting, nel 2015, nel mondo, erano installati circa 1.350 sistemi ad adsorbimento “solar cooling” per una potenza installata pari a 30,5 MW. Secondo i dati della “Green Chiller Association Manufacturer”, nel 2017 sono stati venduti 1.642 sistemi ad adsorbimento per una potenza installata di 56.4 MW. Considerato che il mercato della climatizzazione in generale è in forte crescita sia nel settore residenziale che in quello commerciale in tutto il mondo con prevalenza in Cina ed India e che questo comporterà un consumo di energia elettrica stimato nel 2019, per la sola climatizzazione, pari a 14.000 GW, le potenzialità
per la crescita delle “Green Technologies” sono significative.
Nella quasi totalità dei casi, i prodotti offerti sono sistemi che utilizzano gel di silice in granuli. La Fahrenheit possiede una tecnologia proprietaria per la produzione di scambiatori rivestiti di zeolite SAPO-34 ottenuta mediante sintesi diretta. Più recentemente, anche la società Invensor ha sviluppato macchine con zeoliti utilizzando scambiatori di calore rivestiti prodotti dalla società Mitsubishi Chemical Corporation. In quest’ultimo caso, la Mitsubishi ha deciso di interrompere quest’attività e uscire da questo segmento di mercato, per cui non fornirà più scambiatori di calore rivestiti per sistemi ad adsorbimento. Due grandi aziende tedesche, Vaillant e Viessmann, producono per il mercato nordeuropeo un modello di caldaia ad alta efficienza in cui è incluso un adsorbitore a zeolite per il recupero del calore di scarto dei fumi di scarico, che consente a queste caldaie di ottenere una classe energetica superiore. Recentemente l’azienda Bosch propone sul mercato, anche italiano, una lavastoviglie ad altissima efficienza energetica grazie alla presenza al suo interno di un recuperatore di calore ad adsorbimento per lo sfruttamento del calore residuo dell’acqua di lavaggio allo scarico.

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

La fase di sviluppo successiva è la realizzazione di rivestimenti su prototipi di adsorbitori di potenza compresa tra 0,10 e 0,30 kW di dimensioni tali da potere essere provati in impianti di misura per la valutazione dei rendimenti termodinamici e della durabilità dei coatings. Gli impianti di misura per lo sviluppo delle macchine ad adsorbimento sono disponibili presso i laboratori del CNR ITAE di Messina e presso i laboratori del Fraunhofer ISE di Friburgo. Questa fase permetterebbe di concludere il livello TRL 5/6 e accedere alla fase successiva per la realizzazione di un adsorbitore dimostrativo da provare su un prototipo di pompa di calore ad adsorbimento (TRL7).