Nel mondo dell’efficienza energetica, l’acqua è da sempre considerata uno dei migliori vettori termici, utilizzata per trasferire calore da una caldaia a un radiatore o per raffreddare soffitti climatizzati. Tuttavia, una nuova tecnologia si profila all’orizzonte. Nell’ambito del progetto Optimus, i ricercatori dell’Istituto Fraunhofer ISE di Friburgo, in collaborazione con partner industriali, stanno sviluppando emulsioni a cambiamento di fase (PCM) con un’elevata densità di accumulo termico, pensate per edifici, impianti industriali, pompe di calore e perfino per il raffreddamento delle batterie nei veicoli. Le emulsioni PCM sono miscele di paraffine e acqua (o acqua-glicole, nel caso di applicazioni nel settore della mobilità, dove il glicole impedisce il congelamento). Le paraffine vengono disperse in goccioline ultrafini all’interno del liquido grazie a tensioattivi che ne garantiscono la stabilità termica e meccanica. Il vero vantaggio di queste miscele risiede nella loro capacità di sfruttare il calore latente durante la transizione di fase da solido a liquido: mentre la temperatura resta costante, le PCM assorbono o rilasciano grandi quantità di calore.
Secondo il ricercatore Stefan Gschwander del Fraunhofer ISE, questa proprietà consente di raddoppiare la densità di accumulo termico rispetto all’acqua, senza aumentare il volume. Inoltre, poiché le paraffine restano stabili in emulsione indipendentemente dal loro stato di aggregazione, il fluido può essere pompato attraverso reti di distribuzione termica come se fosse un comune liquido di raffreddamento.
Più efficienza, meno ingombro: vantaggi chiave delle emulsioni PCM
Le emulsioni PCM presentano ulteriori benefici strategici. Il loro alto contenuto energetico consente di ridurre le dimensioni dei serbatoi di accumulo, un vantaggio cruciale negli spazi ridotti come quelli urbani o nei veicoli. Inoltre, sono particolarmente efficienti in condizioni dove le differenze di temperatura sono minime — come nel raffrescamento degli edifici o nei sistemi di climatizzazione. In questi contesti, le soluzioni tradizionali richiedono grandi volumi d’acqua e portate elevate; le PCM, invece, permettono prestazioni superiori in spazi ridotti.
PCM su misura per ogni esigenza termica
Nell’ambito del progetto Optimus, i ricercatori stanno sviluppando emulsioni PCM con temperature di fusione personalizzate per diverse applicazioni: da 12–18 °C per la climatizzazione, 20–28 °C per usi generici e 45–50 °C per impianti industriali o pompe di calore. Tutte le formulazioni sono state sottoposte a rigorosi test termomeccanici in un circuito idraulico con pompa centrifuga, valvole, serbatoi a membrana e scambiatori di calore, dimostrando la capacità di resistere fino a 100.000 cicli di utilizzo.
Dopo una prima fase in laboratorio (fino a 5 litri), le emulsioni sono state prodotte su scala pilota con volumi fino a 100 litri. Ora, in collaborazione con l’azienda H&R Wax & Specialties GmbH, si punta a una produzione su scala industriale (nell’ordine dei metri cubi), per test pratici in serbatoi di accumulo per climatizzazione o raffreddamento industriale.
Le prime applicazioni: dalla climatizzazione degli uffici alla plastica
Due dimostrazioni concrete sono già in fase di avvio. La prima riguarda l’accumulo del calore di scarto proveniente dalle sale server di un palazzo di giustizia, da riutilizzare per il riscaldamento dell’edificio. La seconda prevede il raffreddamento di macchine per stampaggio a iniezione, con rilascio del calore accumulato durante le ore notturne sfruttando l’aria fresca esterna (free cooling). “In questo momento stiamo lavorando per migliorare ulteriormente la stabilità delle nostre formulazioni e aumentare la densità di accumulo”, conclude Gschwander.
Le emulsioni PCM rappresentano una delle soluzioni più promettenti per il futuro dell’efficienza energetica negli edifici, nei trasporti e nell’industria. Grazie alla loro elevata capacità di accumulo termico, flessibilità e compatibilità con le infrastrutture esistenti, queste nuove miscele potrebbero presto affiancare — o addirittura superare — l’acqua nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento del futuro.