L’Istituto coreano di macchinari e materiali (KIMM) ha presentato una pompa di calore ad adsorbimento a base di ammoniaca in grado di utilizzare calore residuo con temperature fino a 40 °C (104 °F) per il raffreddamento, secondo quanto riferito da Young Kim, ricercatore capo presso l’istituto finanziato dal governo.
Il produttore di sistemi HVAC&R Samjung Tech ha realizzato un prototipo da 10 kW (2,8 TR) della pompa di calore ad adsorbimento chimico del KIMM, che incorpora un compressore elettrochimico sviluppato grazie alla collaborazione tra il KIMM e i professori Minseong Kim e Dongkyu Kim dell’Università di Chung-Ang. Il progetto è stato sostenuto dall’Istituto coreano per la valutazione e la pianificazione delle tecnologie energetiche (KETEP) nell’ambito del Progetto Alchemist del governo, un programma di ricerca e sviluppo incentrato su tecnologie ad alto rischio e ad alto impatto.
«A differenza dei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento convenzionali, che richiedono fonti di calore superiori a 70 °C [158 °F], il nuovo sistema ha dimostrato con successo il funzionamento in modalità di raffreddamento utilizzando calore residuo a soli 40 °C», ha affermato il KIMM, senza specificare la configurazione del lato di raffreddamento del prototipo né la temperatura in uscita. «Il letto di adsorbimento riprogettato, cuore della pompa di calore, raggiunge una potenza di raffreddamento specifica (SCP) di 346,5 W/kg – più del doppio rispetto alle tecnologie internazionali comparabili».
Come funziona: anziché ricorrere alla compressione meccanica, il sistema utilizza una combinazione di sorzione/desorzione a bassa temperatura nel letto di adsorbimento chimico dell’ammoniaca sviluppato dal KIMM e un compressore elettrochimico per produrre raffreddamento.
- Quando viene riscaldato, il letto di adsorbimento rilascia vapore di ammoniaca a pressione elevata. L’elettricità aziona quindi il compressore elettrochimico, che trasporta l’ammoniaca attraverso una membrana conduttrice di ioni, aumentandone ulteriormente la pressione.
- In un condensatore, il vapore di ammoniaca cede calore e si condensa in liquido prima di passare attraverso un dispositivo di espansione, che ne riduce la pressione e la temperatura.
- Man mano che l’ammoniaca a bassa pressione evapora in un evaporatore, assorbe calore, fornendo raffreddamento. Il refrigerante completa quindi il ciclo ritornando al letto di adsorbimento.
Ulteriori informazioni: il KIMM non ha specificato il materiale utilizzato nel letto di adsorbimento riprogettato. Separatamente, nell’ambito della stessa sovvenzione KETEP, i ricercatori Hiluf Fissaha e Duckjong Kim dell’Università Nazionale di Gyeongsang hanno sviluppato un composito aerogel a struttura organica covalente (COF) con sale incorporato che ha dimostrato un’elevata capacità di adsorbimento dell’ammoniaca.
- Secondo il KIMM, il progetto ha prodotto 74 articoli indicizzati nello Science Citation Index Expanded (SCIE), 67 domande di brevetto e 29 brevetti registrati.
- L’istituto continuerà a condurre test utilizzando il prototipo da 10 kW in vista di un successivo studio dimostrativo sul campo, ha affermato Young Kim.
- Anche gli sviluppi normativi a livello globale stanno incoraggiando il recupero del calore residuo. Ad esempio, la Direttiva sull’efficienza energetica dell’UE del 2023, nella sua versione rivista, impone agli Stati membri di garantire che i data center con un fabbisogno energetico IT installato superiore a 1 MW abbiano accesso al recupero del calore residuo e lo rendano operativo, laddove ciò sia tecnicamente o economicamente fattibile.
Potenziale applicazione: i sistemi di raffreddamento ad adsorbimento convenzionali richiedono in genere fonti di calore superiori a 70 °C (158 °F), rendendo la capacità a 40 °C riportata dal KIMM potenzialmente rilevante per il calore residuo a bassa temperatura dei data center.
- Si prevede che la capacità globale dei data center quasi raddoppi, passando dagli attuali 103 GW a 200 GW entro il 2030, secondo il rapporto del 2025 di ATMOsphere intitolato “Clean Cooling for Data Centers”. ATMOsphere è l’editore di NaturalRefrigerants.com.
- I data center raffreddati ad aria producono in genere calore di scarto a temperature comprese tra i 25 e i 35 °C (77–95 °F), mentre quelli raffreddati a liquido possono produrre calore di scarto a temperature che raggiungono i 50 °C (122 °F).
- Il nuovo server Rubin AI di NVIDIA, ad esempio, utilizza piastre di raffreddamento raffreddate da una miscela di acqua e glicole. Il fluido entra nella piastra di raffreddamento a 45 °C (113 °F) ed esce a 55 °C (131 °F), creando un flusso di calore residuo idoneo al recupero.
Collegamenti con il settore manifatturiero: con lo sviluppo delle tecnologie relative alle pompe di calore ad adsorbimento per lo sfruttamento del calore residuo a bassa temperatura, diverse aziende stanno sviluppando soluzioni in grado di favorirne una più ampia diffusione.
- Sebbene l’attuale gamma di prodotti di Samjung Tech comprenda refrigeratori ad assorbimento a combustione diretta, alimentati a vapore e ad acqua calda, il suo team di ricerca e sviluppo ha sviluppato il prototipo ad adsorbimento a base di ammoniaca per il KIMM.
- Anche l’azienda svedese Alfa Laval offre apparecchiature di raffreddamento ad assorbimento. Tuttavia, la sua vasta gamma di scambiatori di calore potrebbe favorire il recupero del calore residuo a bassa temperatura per il raffreddamento ad adsorbimento, con prodotti progettati per integrarsi con diverse opzioni di riutilizzo del calore, secondo quanto affermato da Anna Blomborg, responsabile dei data center presso l’azienda.
- Anche gli scambiatori di calore a piastre brasate di recente sviluppo del produttore svedese SWEP potrebbero supportare il recupero del calore residuo dai data center, dove le temperature stanno aumentando da 30–33 °C (86–91 °F) per le applicazioni di archiviazione a 45–60 °C (da 113 a 140 °F) per i carichi di lavoro legati all’intelligenza artificiale, secondo quanto affermato da Christer Frennfelt, responsabile dello sviluppo commerciale dell’azienda.
«A differenza dei sistemi di raffreddamento ad adsorbimento convenzionali, che richiedono fonti di calore superiori a 70 °C [158 °F], il nuovo sistema ha dimostrato con successo il funzionamento in modalità di raffreddamento utilizzando calore residuo a soli 40 °C.»
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