Refrigerare con l’acqua? Why not!

Il nuovo modello eChiller120 raggiunge 120kW di potenza frigorifera a 0 emissioni dirette.

Che si tratti di edifici, macchine, processi o data center: la refrigerazione convenzionale genera una quantità allarmante di emissioni di CO2. Il problema si sta aggravando a causa della rapida crescita mondiale della domanda di freddo – sia come refrigerazione che come condizionamento. Le unità di refrigerazione e condizionamento dell’aria causano già oggi circa l’8% delle emissioni globali di CO2.

Secondo la Green Cooling Initiative (GCI) dell’Associazione tedesca per la cooperazione internazionale (GIZ) GmbH Proklima, entro il 2050 saranno in uso circa 9,5 miliardi di dispositivi di raffreddamento in tutto il mondo. Questo è più di 2,5 volte il numero attuale. Se l’industria della refrigerazione non riuscirà a realizzare importanti miglioramenti in termini di efficienza energetica, essa aumenterà il proprio consumo di energia del 90%. In uno scenario “business as usual” le emissioni annuali di gas serra dell’industria della refrigerazione saranno più che triplicate entro il 2050.

La legislazione globale ha già reagito a questo dilemma. La risoluzione di Kigali del 15 ottobre 2016 ha avviato la riduzione graduale di refrigeranti dannosi per il clima in tutto il mondo. In Europa, il regolamento UE (regolamento sui gas fluorurati n. 517/2014) disciplina l’utilizzo dei refrigeranti ad alto GWP e, secondo tale regolamento, l’uso di gas fluorurati a effetto serra deve essere ridotto gradualmente di quasi l’80% entro il 2030. È verosimile pensare a un divieto totale post 2030 dei gas fluorurati. Molti utenti ora si chiedono quali siano le soluzioni che consentono di raffreddare in modo sicuro, permanente, conforme alla legge e sostenibile. Di soluzioni ne esistono più d’una e una di queste si basa sul refrigerante più naturale che ci sia: l’acqua  

Refrigerare con l’acqua: eChiller

A fine ottobre 2020 l’azienda tedesca Efficient Energy GmbH, con sede a Feldkirchen

Da sinistra verso destra: Peter Kader, Thomas Bartmann e Georg Dietrich al lancio del nuovo eChiller120.

vicino a Monaco di Baviera, ha lanciato il nuovo eChiller120, un chiller che utilizza l’acqua come refrigerante. Esso appartiene alla famiglia di macchine eChiller, progettate e realizzate da Efficient Energy. Si tratta delle uniche macchine frigorifere sul mercato funzionanti ad acqua R718, disponibili in serie in un intervallo di potenza scalabile tra 20 e 500 kW (in un sistema modulare).

In realtà l’eChiller non è la prima macchina in assoluto che usa acqua come refrigerante. L’acqua come refrigerante trova impiego già da molti anni nella tecnologia ad assorbimento. Inoltre, nel settore dei turbo-chiller sono state talora costruite macchine ad acqua, ma si tratta di macchine molto grosse e di grande potenza – dai 500kW fino anche al MW – e in questo modo risultano sia molto ingombranti, sia molto costose. Per questo non hanno mai raggiunto un vero stato di prodotto commercialmente disponibile in maniera standard e in serie.

Con eChiller, invece, per la prima volta si è realizzata una macchina frigorifera compatta, disponibile in serie, che utilizza acqua come refrigerante e che risulta sia tecnicamente che commercialmente interessante. «Usare l’acqua come refrigerante richiede un cambio di prospettiva. Oggi il settore del freddo non è abituato a pensare all’acqua come refrigerante, ma essa ha caratteristiche invece molto utili alla refrigerazione e al raffreddamento» afferma Peter Kader, Product Manager di Efficient Energy alla conferenza stampa in occasione del lancio di eChiller120. Il cambio di prospettiva, per altro, non è nemmeno così eccessivo, visto che comunque con l’eChiller si rimane in un classico ciclo di compressione di vapore. Con la differenza che qui esso avviene nel vuoto a pressioni molto basse, intorno ai 20 mBar e a temperature tra i 10 e i 40°C con componenti ottimizzati in relazione al refrigerante.

Bluezero®: tecnologia dal valore pionieristico per una refrigerazione sostenibile

La tecnologia sviluppata da Efficient Energy, che permette di utilizzare l’acqua come refrigerante è commercializzata con il nome di Bluezero® e per capirne la portata innovativa basti dire che dietro ad essa vi sono circa 200 brevetti della azienda Efficient Energy.

Oltre all’uso del refrigerante acqua, caratteristiche di tale tecnologia sono ad esempio l’utilizzo di un nuovo turbocompressore ad alta efficienza e appositamente sviluppato per questa applicazione, di scambiatori specifici e il fatto che tutto il ciclo si svolge sottovuoto. I componenti sono integrati in modo innovativo in un modulo di raffreddamento molto compatto. Nel design dell’eChiller “35” e “45”, due moduli di raffreddamento sono collegati in modo che il refrigerante risulti contemporaneamente l’acqua fredda negli evaporatori e l’acqua di raffreddamento nei condensatori. I flussi di volume interni avvengono quindi con perdite di energia minime. Il design modulare del sistema consente di attivare solo le parti del sistema necessarie per fornire la rispettiva capacità di raffreddamento richiesta, sia in base al carico termico interno che alla temperatura esterna. Le transizioni sono fluide e vanno dal funzionamento a pieno carico a due stadi a quello monostadio fino al funzionamento di free cooling puro. Le macchine sono molto semplici da gestire. Sono plug&play e controllate centralmente. L’installazione dell‘ eChiller è uguale a quella delle macchine tradizionali.

Come funziona l’eChiller?

L’acqua è probabilmente il refrigerante più sicuro in assoluto. La maggior parte dei refrigeranti naturali ha caratteristiche – infiammabilità, alte pressioni di lavoro, tossicità -utilizzate da alcune parti come argomento per rallentarne la diffusione sul mercato e creare diffidenza a priori verso di essi. L’acqua non ha nessuna di queste caratteristiche   e non presenta nessuna complicazione. In questo senso, potrebbe facilmente aprire la strada all’uso dei refrigeranti naturali nelle applicazioni che abbiamo visto sopra.

L’eChiller utilizza lo stesso principio di refrigerazione (processo a compressione di vapore) delle macchine di refrigerazione convenzionali. L’eChiller 35/45 utilizza circa 60 litri di acqua di rubinetto addolcita in un circuito chiuso. Nell’eChiller120, ci sono 80 litri di acqua. Il calore dal circuito cliente-consumatore viene assorbito tramite scambiatori di calore e fa evaporare l’acqua nell’evaporatore (sottovuoto). Questo vapore viene compresso dallo speciale turbo compressore e portato a condensazione – liquefazione – nel condensatore che viene raffreddato con acqua di raffreddamento. L’acqua di raffreddamento assorbe il calore della condensa e può altrimenti esser utilizzata.

Il turbocompressore presente nella macchina e sviluppato da Efficient Energy è caratterizzato da:

  • Livello di rumorosità particolarmente basso grazie al vuoto;
  • Buona controllabilità;
  • Elevata efficienza a carichi parziali;
  • Nessun picco di corrente iniziale.

L’eChiller è progettato per temperature dell’acqua in ingresso tra 10 a max. 40° C. Ma Efficient Energy sta lavorando a uno sviluppo che consentirà l’uso dell’acqua come refrigerante anche nei paesi più caldi.

eChiller120: una nuova generazione di Chiller

Con il lancio di eChiller120, la famiglia degli eChiller, che fino ad oggi comprendeva macchine da 35/45 kW di capacità di raffreddamento, si amplia.  «Con eChiller120, stiamo espandendo il nostro portafoglio per includere una versione più potente che, tuttavia, ha mantenuto la sua compattezza attraverso un cambiamento nel design e può quindi essere utilizzata in modo più flessibile» spiega Georg Dietrich, amministratore delegato di Efficient Energy GmbH.

L’eChiller120 sarà pronto per la consegna dall’estate 2021. I primi ordini sono già stati effettuati. Esso ha una potenza maggiore rispetto ai suoi “fratellini”. Oltre a una migliore efficienza energetica – fino all’82% rispetto ai sistemi convenzionali – il nuovo Chiller si distingue anche per i suoi bassi requisiti di manutenzione e le opzioni di installazione flessibili. Utilizzando l’acqua come refrigerante, è possibile raggiungere i requisiti legali e gli obiettivi climatici di molte aziende per ridurre l’impronta di CO2 dei refrigeranti sintetici.

Il principio del processo di raffreddamento funziona come nel più piccolo eChiller 35/45 (da 35 e 45 kW). Durante la messa in servizio, l’acqua del rubinetto addolcita viene immessa nel chiller come refrigerante e viene quindi utilizzata in un circuito chiuso per generare freddo. L’innovazione, tuttavia, risiede nella struttura completamente ridisegnata e in un concetto di compressore migliorato. Il turbocompressore sviluppato appositamente da Efficient Energy GmbH è stato ampliato e integrato direttamente nel modulo dello scambiatore di calore, il che aumenta notevolmente l’efficienza della macchina di refrigerazione. Nonostante la sua maggiore potenza, eChiller120 raggiunge un livello sonoro comparabilmente basso rispetto agli eChiller35/ 45. Nuova è anche l’introduzione strategica di alcune opzioni di configurazione. Ciò include, ad esempio, un alloggiamento opzionale e un modulo free cooling, un modulo per espandere il carico parziale e altre opzioni per la regolazione delle periferiche del sistema. L’eChiller120 può anche essere facilmente collegato a un sistema di raffreddamento esistente e dispone di un controllo di raffreddamento ottimizzato dal punto di vista energetico.  È anche possibile che esso lavori in cascata con un impianto a CO2 dove assuma il post-raffreddamento del sistema.

Una tecnologia, tante applicazioni

Grazie alla sua scalabilità e modularità, l’eChiller permette di soddisfare applicazioni che richiedono maggiori capacità di raffreddamento.L’eChiller120 è ideale per il raffreddamento di processo, il raffreddamento di macchine e l’aria condizionata tecnica e può quindi essere utilizzato, ad esempio, nell’ingegneria meccanica, nell’industria automobilistica, della gomma e della plastica o per il raffreddamento di data center, centri di controllo e sale server. «La nostra tecnologia è perfetta dovunque sia richiesto raffreddamento senza condensazione. Mi vengono in mente l’industria della lavorazione della plastica, delle gomme, l’industria chimica e farmaceutica, i centri di calcolo, tutte applicazioni che richiedono raffreddamento nudo e crudo tra i 14 e i 20°C. Sono tutte applicazioni in cui l’eChiller può svolgere egregiamente le sue funzioni ad alta efficienza e emissioni zero» afferma Thomas Bartmann, Responsabile delle vendite di Efficient Energy GmbH.E qualora il fabbisogno di raffreddamento sia ancora maggiore, eChiller120 grazie alla struttura modulare e scalabile e un controllo composto opzionale integrato, può essere installato in rete e arrivare a una capacità di raffreddamento di oltre 500 kW.

Il nuovo Chiller segna solo l’inizio dell’ampliamento della gamma di prodotti. «Il potenziale di mercato della tecnologia Bluezero® è tutt’altro che esaurito e stiamo già lavorando a ulteriori sviluppi. Per il 2020/2021, sono stati effettuati investimenti significativi nell’infrastruttura e nello sviluppo dei laboratori al fine di introdurre il raffreddamento pulito il più rapidamente e ampiamente possibile sul mercato» sottolinea Georg Dietrich. Allo stesso tempo, l’azienda sta espandendo la sua rete di distribuzione e punta a concludere ulteriori collaborazioni con OEM. «Questo è l’unico modo in cui abbiamo la possibilità di sfruttare ulteriormente il potenziale di mercato di Bluezero® e ottenere un impatto nella lotta contro la crisi climatica“, afferma Dietrich.

E in termini di costi? «Il ritorno di investimento dipende dal settore, ma per la Germania può essere indicato come <4 anni. Per l’estero non si possono fare dichiarazioni precise sul ROI a causa dei prezzi dell’elettricità talvolta sensibilmente inferiori o magari alla presenza di specifici schemi di supporto finanziario per tecnologie sostenibili» spiega Dietrich.

Più che una macchina, un nuovo modello di refrigerazione

La tecnologia Bluezero®, che rende l’acqua utilizzabile come refrigerante, ha sicuramente un valore pionieristico assoluto: non sono noti sul mercato altri esempi di prodotti di serie che utilizzano in maniera efficiente l’acqua come refrigerante e che quindi rispondano in maniera così puntuale alle sfide del settore di diminuire drasticamente emissioni dirette e indirette. In realtà, quello che Efficient Energy propone va ben oltre l’eChiller di per sé, va oltre la macchina ma è l’esempio concreto di come questa nuova tecnologia possa esser realizzata e impiegata con successo.

In ultima analisi è un nuovo modello di raffreddamento.  Questo fatto, visto nel contesto attuale in cui la domanda per le tecnologie del freddo è in aumento, non da ultimo a causa dei cambiamenti climatici e del riscaldamento globale, conferisce alla tecnologia un valore miliare. L’industria del condizionamento e della refrigerazione sta crescendo. Il fatturato annuo è di circa 80 miliardi di dollari in tutto il mondo. Nella sola Germania ci sono circa 120 milioni di macchine frigorifere, 3 milioni delle quali sono nell’industria. Il numero elevato di sistemi di condizionamento dell’aria provoca emissioni estremamente elevate attraverso l’uso di refrigeranti dannosi per l’ambiente come i fluorocarburi (HFC).

Inoltre: a causa della mancanza di efficienza energetica, ogni anno oltre il 17% del consumo energetico globale viene utilizzato per il raffreddamento e il condizionamento dell’aria. Nella sola Germania, il consumo di energia per il riscaldamento e il raffreddamento rappresenta il 50% del consumo energetico totale. Ciò rende l’industria della refrigerazione un motore poco appariscente ma potente del cambiamento climatico. Per questi numeri e per questo quadro, l’urgenza di soluzioni sostenibili è più che mai pressante. E non sono più accettabili soluzioni a medio termine: per queste non c’è più tempo!

Le soluzioni devono essere necessariamente dirompenti e a lungo termine Bluezero® si inserisce proprio in questo filone.«Un mercato della refrigerazione con refrigeranti 100% naturali e climaticamente neutri è possibile; le tecnologie sono disponibili e hanno senso anche dal punto di vista economico. Tutto ciò che deve essere fatto è creare una consapevolezza ancora maggiore dell’importanza dell’industria della refrigerazione in un contesto globale e sfondare la lobby dei grandi fornitori sintetici» afferma Thomas Bartmann, Responsabile delle vendite di Efficient Energy GmbH.

 

 

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