Gli scienziati della Chinese Academy of Sciences (Cas) hanno presentato una nuova pompa di calore ad alta temperatura, priva di parti mobili, che in futuro potrebbe consentire una produzione di calore più efficiente per le industrie energivore.
Il prototipo presentato la scorsa settimana è un dispositivo termoacustico in grado di raggiungere una temperatura di uscita superiore a 200 °C, valore target per la maggior parte di queste macchine con applicazioni industriali.
Come funziona una pdc termoacustica
Una pompa di calore termoacustica è una tecnologia che trasferisce calore sfruttando onde sonore ad alta intensità, invece dei compressori meccanici tipici delle pdc convenzionali.
In pratica, il lavoro necessario a “spingere” il calore non viene fornito dalla compressione di un refrigerante, ma da oscillazioni di pressione che fanno vibrare rapidamente un gas (spesso l’elio) all’interno di un sistema chiuso.
Queste oscillazioni creano cicli continui di compressione e decompressione: quando il gas si comprime si scalda e cede calore, mentre quando si espande si raffredda e lo assorbe. Inserendo nel percorso del gas una struttura porosa chiamata rigeneratore (o “stack”), il sistema riesce a trasformare questo moto oscillatorio in un flusso netto di calore da una zona fredda a una calda, ottenendo così l’effetto di una pompa di calore senza parti meccaniche in movimento.
L’interesse per questa tecnologia è legato soprattutto alle applicazioni industriali ad alta temperatura, un ambito in cui le tecnologie tradizionali incontrano limiti tecnici ed economici. L’assenza di compressori, valvole e refrigeranti fluorurati riduce i problemi di affidabilità e di impatto ambientale, mentre l’uso di gas inerti consente di operare a temperature molto elevate, come detto, potenzialmente superiori ai 200 °C.
Il gruppo di ricerca della Chinese Academy of Sciences ha citato come possibili applicazioni per il prototipo i processi industriali ad alta temperatura come quelli petrolchimici, metallurgici e ceramici.
Da quanto si apprende dall’abstract dell’articolo “A ultra-high-temperature free-piston thermoacoustic Stirling heat pump capable of achieve above 200 °C“, pubblicato in Applied Physics Letters, i risultati ottenuti nei testi di laboratorio dimostrano che il sistema raggiunge un coefficiente di prestazione (Cop) massimo di 1,68.
Si tratta di valori molto al di sotto di quelli registrati nelle applicazioni ad uso edilizio, dove il Cop con le tecnologie più moderne e nelle condizioni ambientali ideali è di almeno 3, e arrivare anche fino a 5.
La termoacustica è comunque considerata una delle opzioni più promettenti per elettrificare porzioni oggi difficilmente decarbonizzabili del fabbisogno termico industriale, pur restando una tecnologia ancora in fase di sviluppo, con efficienze inferiori agli standard commerciali e diverse sfide ingegneristiche da superare prima di una diffusione su larga scala.
Il calore industriale ad alta temperatura
Tradizionalmente le pdc sono impiegate per riscaldamento civile e applicazioni a basse temperature, ma l’innovazione tecnologica ha allargato significativamente il loro campo d’azione.
Oggi esistono sistemi in grado di produrre calore fino a circa 160-200 °C, mentre diversi progetti pilota mirano a spingere questo limite ancora più in alto, integrando cicli a stadio multiplo o configurazioni avanzate di compressori e refrigeranti.
Queste macchine si basano su circuiti termodinamici chiusi che, con un input elettrico (preferibilmente da fonti rinnovabili) trasferiscono il calore prelevato da fonti a bassa temperatura, convertendolo in calore di processo ad alta temperatura con coefficiente di prestazione (Cop) tipicamente superiore a quanto ottimizzabile con combustione diretta o riscaldamento elettrico puro.
Già oggi alcuni modelli commerciali raggiungono temperature dell’acqua in uscita fino a oltre 110 °C in configurazioni standard industriali, mentre altre soluzioni sperimentali su scala prototipale si spingono oltre, aprendo scenari applicativi in settori come chimica, alimentare, farmaceutico e tessile, che richiedono lavorazioni in questo range di temperatura.
Queste tecnologie consentono di sostituire o affiancare caldaie a fonti fossili, riducendo significativamente le emissioni e valorizzando il calore di scarto. Tuttavia, permangono sfide ingegneristiche e di mercato, legate ai costi, alla complessità dei sistemi a stadio multiplo e alla disponibilità di refrigeranti adatti, che rendono la diffusione su larga scala un processo ancora in corso.
Secondo una recente analisi dell’European Environmental Agency (Eea) sui due principali impieghi di energia termica (edilizia e industria) le temperature di uscita delle pdc sono previste in aumento fino a 200-300 °C entro il 2035.
Per le temperature più elevate (fino a 2.500 °C), si stima che entro la metà del prossimo decennio dovrebbero diffondersi e diventare più accessibili tecnologie come il riscaldamento a resistenza, il riscaldamento a induzione e gli steam cracker elettrici. In generale, secondo l’Eea circa il 90% dell′attuale domanda di combustibili fossili da parte dell’industria europea per scopi termici potrebbe essere elettrificata entro il 2035.
La produzione di calore a livello globale continua però a basarsi, in gran parte, sulle fonti fossili. Secondo il report “Renewables 2025″ dell’Agenzia internazionale dell’energia (Iea), nel 2024 il calore ha rappresentato quasi la metà dei consumi energetici finali e il 37% delle emissioni di CO2 legate all’energia, ma solo il 14% di quel calore è arrivato da fonti rinnovabili (esclusi gli usi tradizionali della biomassa).
In merito al calore industriale, nel periodo 2025-2030 la domanda è attesa in crescita del 14%, ma solo il 44% di questo aumento sarà coperto da rinnovabili secondo la Iea. La quota complessiva del “calore verde” nell’industria dovrebbe crescere poco, dall’attuale 12% al 16% a fine decennio.
