Può confezioni essiccanti di gel di silice, spesso trovato in scatole di scarpe ed elettronica, essere la risposta alle nostre sfide energetiche per gli edifici? Un progetto quadriennale dimostra di sì, una specie di.

Secondo la Commissione Europea, il riscaldamento e il raffrescamento negli edifici e nell'industria rappresentano la metà del consumo energetico dell'UE, e i combustibili fossili generano l'84% di questo riscaldamento e raffreddamento. Il settore dovrebbe svolgere un ruolo cruciale nella CO ₂ riduzione delle emissioni per raggiungere gli obiettivi climatici dell'UE entro il 2050. Allo stesso tempo, la quantità di calore sprecato dai processi industriali e dagli edifici nell'UE, compresi i data center, si stima che copra l'intero fabbisogno di riscaldamento dell'UE negli edifici residenziali e del terziario.

Che cos'è il calore disperso?

Alcuni esempi di calore residuo includono il calore che fuoriesce da una casa attraverso il camino, il calore che fuoriesce da un'auto attraverso lo scarico, e l'aria calda o l'acqua scartata dal fornello della cucina, doccia, lavastoviglie, lavatrice o asciugatrice. In totale, questi flussi di calore di scarto sono paragonabili alla quantità totale di elettricità consumata dalle famiglie residenziali.

Nei processi industriali, il calore di scarto è prodotto principalmente da centrali elettriche, processi di combustione e attrezzature di produzione. Globale, circa il 70 per cento di tutta l'energia prodotta finisce come calore di scarto.

Spesso, questo calore di scarto non può essere utilizzato perché la sua temperatura non è adatta e può essere difficile da catturare. Perciò, c'è una richiesta di tecnologia di conversione del calore per accedere all'enorme potenziale di questo calore essenzialmente "gratuito". E se questo non fosse abbastanza impegnativo, questa tecnologia dovrebbe anche avere un consumo di elettricità minimo per alleviare l'onere sulla rete, che è associato alle variazioni giornaliere e stagionali della richiesta di riscaldamento e raffrescamento.

Dai il via a THRIVE

Quattro anni fa, scienziati di IBM Research – Zurigo, Università di Scienze Applicate Rapperswil (HSR), Empa, Politecnico di Zurigo, la Scuola di Management e Ingegneria Vaud (HEIG-VD), Istituto Paul Scherrer (PSI), e un certo numero di altri collaboratori si sono uniti per affrontare questo problema e si sono riuniti in un progetto chiamato THRIVE (Pompe di calore ad azionamento termico per la sostituzione dell'elettricità e dei combustibili fossili). La ricerca si è concentrata sulla tecnologia della pompa di calore ad adsorbimento (AdHP), che si basa sull'uso di materiali adsorbenti come il gel di silice, ben noto da quelle piccole confezioni "Do Not Eat" che troviamo spesso nelle merci confezionate.

Perché il gel di silice? Anche se spesso viene gettato nella spazzatura, in realtà è una sostanza straordinaria che può assorbire il 40% del proprio peso in umidità dall'ambiente circostante. Così facendo, produce una sorta di effetto di aspirazione che può essere utilizzato per pompare calore in modo molto simile a un condizionatore d'aria convenzionale, ma senza usare l'elettricità. Un'applicazione di questa tecnologia è nei data center per sfruttare il calore disperso dai server ad alte prestazioni raffreddati ad acqua calda per produrre aria fresca per raffreddare gli alimentatori e l'archiviazione dei dati nello stesso data center, essenzialmente consentendo ai data center di raffreddarsi con il proprio calore di scarto.

I risultati sono in

L'8 novembre, dopo 47 mesi di ricerca, abbiamo riportato i nostri risultati finali.

Oltre al raffreddamento dei data center e di altri processi industriali, HEIG-VD ha identificato applicazioni promettenti per gli AdHP per aumentare l'efficienza e la capacità nelle reti di teleriscaldamento, nonché ridurre le emissioni e i costi energetici per le famiglie. Sulla base dei potenziali di riscaldamento e raffreddamento degli AdHP in quattro di questi scenari applicativi, PSI prevede un consumo totale di energia inferiore del 4-9% nel 2050 per il settore energetico stazionario in Svizzera di AdHP che utilizzano il calore di scarto disponibile per le industrie e le famiglie, che secondo il Paul Scherrer Institute (PSI) hanno il potenziale per un consumo totale di energia inferiore del 3-6% nel 2050 in Svizzera.

in PROVERSI, sono stati raggiunti diversi traguardi tecnici per far progredire la tecnologia delle pompe di calore ad adsorbimento.

Al posto del gel di silice, Gli scienziati dell'Empa hanno sviluppato un nuovo tipo di adsorbente monolitico a carbone attivo, simile al carbone, che possono essere modellati e lavorati in forme arbitrarie per adattarsi agli scambiatori di calore per AdHP. Il materiale ha fornito una potenza di raffreddamento 3,8 volte superiore per unità di massa rispetto al gel di silice per la rigenerazione mediante calore disperso a 60 gradi C.

Ulteriore, gli scienziati di IBM Research e dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato nuovi metodi per caratterizzare gli adsorbenti in azione e li hanno usati per rivelare il collo di bottiglia che limita la velocità negli scambiatori di calore ad adsorbimento all'avanguardia con pochi cm2 di materiale. È stato sviluppato un quadro per prevedere la geometria degli adsorbenti di forma ottimale, e i rivestimenti adsorbenti sono stati strutturati di conseguenza per fornire un triplice miglioramento nella velocità di adsorbimento rispetto ai rivestimenti non strutturati. Questi adsorbenti strutturati sono in grado di supportare una potenza frigorifera di 5 kW per ogni m2 di superficie dello scambiatore di calore ad adsorbimento.

Insieme, i materiali e i miglioramenti strutturali possono aumentare la densità di potenza degli scambiatori di calore ad adsorbimento fino a un fattore 10. Ciò si traduce in un costo sostanzialmente ridotto dei futuri AdHP, rendendoli complessivamente economici, tecnologicamente e ambientalmente superiori ad altri approcci per molte applicazioni

Per dimostrare che l'approccio funziona anche su scala più ampia, Gli scienziati dell'HSR hanno costruito un banco di prova dotato di una bilancia nel vuoto, in grado di caratterizzare scambiatori di calore ad adsorbimento che producono una potenza frigorifera fino a 1,5 kW. Per sistemi ancora più grandi, hanno anche costruito un sistema a pompa di calore ad adsorbimento a quattro camere che eroga fino a 10 kW di potenza frigorifera, che soddisferebbe i requisiti di condizionamento tipici di una casa unifamiliare in climi caldi.

E infine, abbiamo sviluppato un framework per progettare scambiatori di calore ad adsorbimento ad alte prestazioni per industrie con requisiti diversi. Questa tecnologia AdHP compatta è in fase di ulteriore sviluppo per il raffreddamento dei data center ed è già in corso un progetto di follow-up in cui gli AdHP vengono valutati come trasformatori di calore nelle reti termiche. Ulteriori applicazioni promettenti di AdHP compatti sono per la gestione termica nelle auto e per la separazione dei gas, come CO ₂ cattura:questo è un approccio su più fronti per migliorare l'efficienza energetica, ridurre i costi e combattere il cambiamento climatico.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di IBM Research. Leggi la storia originale qui.