Refrigerazione ad energia solare: possibile grazie ai nuovi materiali

Accanto ai tradizionali sistemi di refrigerazione, che sfruttano un compressore per il funzionamento del ciclo termodinamico, esistono altri sistemi, come la refrigerazione ad assorbimento. Essa comporta numerosi vantaggi, tra cui: maggiore economicità di esercizio di tutto il sistema (esso infatti necessita di una esigua quantità di energia elettrica), e l’abbinamento con gli impianti solari termici, da cui si attinge l’energia (termica) necessaria per il funzionamento.

Questa tecnologia ha avuto un notevole sviluppo negli ultimi anni: è migliorata la qualità dei dispositivi e l’affidabilità degli stessi. Ciò che però impedisce la loro diffusione su ampia scala è il fattore dimensioni; i refrigeratori ad assorbimento comportano un grande ingombro, cosa che li rende inutilizzabili in ambito domestico. Ma la svolta sembra vicina con l’avvento di nuovi materiali!

Qual è la novita?

I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory hanno sviluppato un nuovo materiale che andrà a sostituire il gel di silice, sino ad oggi usato nella tecnologia ad assorbimento. Il nuovo materiale è composto da nano-strutture con la capacità di auto assemblarsi in complesse forme tridimensionali: ciò comporta una maggiore porosità del materiale assorbente, che permette di ospitare al suo interno un maggior numero di molecole d'acqua,  le quali infatti vengono ritenute ben quattro volte di più rispetto al comune gel di silice, comportando la possibilità di ridurre notevolmente le dimensioni degli impianti ad assorbimento; ma non è tutto: questo nuovo materiale forma dei legami più deboli con l’acqua, riducendo non solo l’energia necessaria per rompere il legami e liberare l’acqua, ma anche il tempo di assorbimento e desorbimento della sostanza. In questo modo si aumenta anche l’efficienza del processo. Con tutto ciò si rende la tecnologia della refrigerazione ad assorbimento più appetibile anche dal punto di vista economico.

Come funziona la refrigerazione ad assorbimento?

I refrigeratori raffreddano grazi all’evaporazione di un fluido (refrigerante), passaggio di stato che comporta l’assorbimento di energia (cioè calore) prelevata dall’ambiente che si vuole raffreddare.

Il ciclo termodinamico che permette ciò si basa sulla successiva condensazione del fluido refrigerante, che deve nuovamente evaporare per sottrazione di altro calore: si aumenta la pressone del fluido proveniente dall’evaporatore (a contatto con l’ambiente da raffreddare) per favorirne la condensazione che si completa nel condensatore, dove il fluido cede il suo calore all’ambiente esterno. Una valvola di laminazione espande il fluido, che sottrarrà altro calore nell’evaporatore e il ciclo può ripartire. I normali refrigeratori (condizionatori e frigoriferi) sfruttano un compressore elettrico per aumentare la pressione del fluido refrigerante; quelli ad assorbimento invece usano calore per condensare il refrigerante (in soluzione acquosa)! Ecco i principali componenti di un refrigeratore ad assorbimento:

• un evaporatore, nel quale si ha la sottrazione di calore dall’ambiente da raffreddare con l’evaporazione del fluido refrigerante;
• un assorbitore, nel quale il refrigerante evaporato (fortemente concentrato) viene riassorbito dalla soluzione (diluita) grazie ad una differenza di concentrazione;
• una pompa che invia la soluzione dall’assorbitore al desorbitore ed aumenta la pressione del fluido;
• un desorbitore (anche detto generatore), presso il quale la soluzione rilascia una frazione di soluto per evaporazione, grazie ad un flusso di calore proveniente dall’esterno;
• un condensatore, dove il vapore proveniente dal desorbitore viene condensato, con trasferimento di calore all’esterno (sorgente calda), mediante il medesimo fluido esterno che ha operato il raffreddamento presso l’assorbitore; spesso il fluido vettore di raffreddamento è acqua, inviata in una apposita torre di raffreddamento;
• una valvola di laminazione, che riporta il fluido nell’evaporatore e ne riabbassa la pressione.

Il  vapore a bassa pressione proveniente dall'evaporatore non viene più compresso meccanicamente, come avviene nel ciclo a compressione di vapore, ma viene inviato all' assorbitore: questo dispositivo sottrae calore al vapore e fa si che quest' ultimo venga immagazzinato in una miscela povera. Una volta che è stata arricchita, la miscela viene prelevata da una pompa inviata ad un generatore: questo si comporta inversamente all' assorbitore, in quanto richiede calore per produrre vapore ad alta pressione, che fluisce nel condensatore, e soluzione nuovamente povera, che viene rinviata nell' assorbitore mediante una valvola di laminazione.

Il resto del ciclo è identico a quello della macchina a compressione di vapore.

I fluidi utilizzati sono soluzioni acqua-ammoniaca, acqua-bromuro di litio e altre, la cui scelta comporta modifiche nel ciclo, sopra descritto nel caso più generale e teoricamente più semplice, con la finalità di comprendere a grandi linee il funzionamento della tecnologia.

I ricercatori americani proseguiranno i loro studi per ottimizzare le prestazioni dei nuovi materiali e per realizzare un prototipo entro i prossimi tre anni. Attendiamo fiduciosi.