Pesquisadores da ETH Zurich e da Universidade de Ciências Aplicadas do Leste da Suíça desenvolveram uma nova solução para bombas de calor. Utilizando esta nova abordagem, as empresas podem gerar calor de processo isento de carbono a temperaturas de até 200 graus Celsius, ao mesmo tempo que reduzem drasticamente o número de diferentes bombas de calor necessárias.
Seja na produção de alimentos, bebidas, medicamentos, metais ou papel ou no tratamento de superfícies e têxteis, as empresas industriais precisam de calor de processo para muitas aplicações. Muito disso ainda é gerado pela queima de combustíveis fósseis. Consequentemente, a geração de calor de processo é responsável por uma grande proporção das emissões de gases de efeito estufa (GEE) no setor industrial global. Na Suíça, é responsável por cerca de 8% do total das emissões de GEE.
O sector industrial já poderia estar a gerar calor de processo até 200 graus Celsius de uma forma ecológica, utilizando bombas de calor industriais que funcionam com electricidade gerada a partir de fontes renováveis. No entanto, apesar deste potencial, as bombas de calor ainda são pouco comuns em ambientes industriais. Isso ocorre porque os modelos existentes tendem a ser construções caras, feitas sob medida para uma aplicação industrial e temperatura específicas.
Agora, investigadores da ETH Zurique e da Universidade de Ciências Aplicadas da Suíça Oriental em Buchs desenvolveram uma solução que permite às bombas de calor gerar calor de forma barata e flexível a várias temperaturas de até 200 graus Celsius. Isto adapta-se muito melhor às necessidades do sector do que as soluções disponíveis comercialmente, razão pela qual inúmeras empresas suíças e internacionais já manifestaram interesse na tecnologia.
Aproveitando o calor do ambiente
As bombas de calor aproveitam a energia armazenada no calor residual ou no ar ambiente, nas águas subterrâneas ou no solo. Eles geram calor para aquecimento ou calor de processo evaporando um fluido refrigerante em um sistema fechado e depois passando o gás através de um compressor para aumentar sua temperatura. O calor obtido neste processo pode então ser utilizado para aquecer edifícios ou para processos industriais.
Nas bombas de calor convencionais, a temperatura alcançável e o perfil de temperatura são largamente determinados pela escolha do refrigerante. Todos os componentes da bomba de calor – desde o evaporador e compressor até ao condensador e válvula de expansão – são adaptados a este refrigerante. Se uma fábrica necessita de calor a diferentes temperaturas para múltiplas aplicações, actualmente isto só pode ser conseguido através da utilização de múltiplas bombas de calor, cada uma com um refrigerante diferente. Isto é dispendioso e inconveniente, razão pela qual as bombas de calor não conseguiram fazer progressos no sector industrial.
A mistura de refrigerante aumenta a flexibilidade
André Bardow, Professor de Engenharia de Sistemas de Energia e Processos na ETH Zurique, acredita que a sua equipa encontrou uma solução melhor: “Em vez de um único refrigerante, utilizamos uma mistura. Isto permite que uma bomba de calor utilize diferentes fontes de calor e gere diferentes perfis de temperatura.”
A composição da mistura refrigerante pode ser variada para atender a diferentes aplicações. Este é um benefício fundamental para as empresas: em vez de terem de redesenhar toda a bomba de calor sempre que necessitam de uma temperatura diferente, podem simplesmente modificar a mistura, o que é muito mais simples e barato.
A mistura em si consiste em um refrigerante tradicional e mais um componente. O perfil de temperatura da bomba de calor é ditado pela proporção destes dois ingredientes. “Em princípio, você pode ter vários perfis diferentes para processos industriais, desde que as temperaturas não excedam 200 graus. Essa é a principal vantagem que nossa tecnologia oferece”, diz Bardow.
Usando um modelo de computador para identificar a mistura certa
Para identificar componentes adequados para a mistura refrigerante, os pesquisadores desenvolveram um modelo computacional que simula o circuito da bomba de calor com diferentes variantes de mistura refrigerante. “Estendemos os modelos termodinâmicos existentes para bombas de calor, integrando os componentes da bomba de calor, bem como a composição da mistura, no processo de otimização”, diz Dennis Roskosch, cientista sênior do grupo de pesquisa de Bardow.
O modelo dos pesquisadores baseia-se em mais de 200 milhões de moléculas sintéticas conhecidas para simular uma mistura de duas moléculas que oferece o desempenho mais eficiente da bomba de calor.
Parceiros iniciais para planta piloto
Assim que os investigadores encontraram a mistura ideal de refrigerante, confirmaram as suas propriedades no laboratório de bombas de calor da Universidade de Ciências Aplicadas da Suíça Oriental. “Os testes mostraram que a nossa mistura aumenta a eficiência de uma bomba de calor industrial disponível comercialmente em até 25%, tal como previmos”, diz o professor Stefan Bertsch, que dirige o laboratório de bombas de calor. Os pesquisadores também conseguiram demonstrar como diferentes composições da mistura refrigerante afetam o perfil de temperatura.
A equipa espera agora fornecer exemplos ainda mais concretos de como a sua tecnologia pode beneficiar aplicações industriais específicas. A nova bomba de calor será provavelmente de particular interesse nas indústrias alimentar, farmacêutica e química, onde numerosos processos requerem temperaturas inferiores a 200 graus.
Ao mesmo tempo, os investigadores estão a trabalhar em estreita colaboração com fabricantes de bombas de calor, como a MAN Energy Solutions ou a Scheco AG, e com parceiros industriais suíços, como a Lindt. O próximo passo é planejar e construir uma planta piloto para realizar novos testes.
Referência de literatura
Brendel L, Bernal S, Widmaier P, Roskosch D, Arpagaus C, Bardow A, Bertsch S. Misturas de refrigerante de alto deslizamento em bombas de calor de alta temperatura: Parte 1 – Coeficiente de desempenho, International Journal of Refrigeration, 10 de maio de 2024, doi : 10.1016/j.ijrefrig.2024.05.005
Série “Soluções energéticas para a Suíça”
A Suíça pretende reduzir as suas emissões de GEE para zero até 2050. Isto requer um fornecimento de energia livre de combustíveis fósseis, baseado em fontes de energia renováveis e sustentáveis – um enorme desafio para o país. Com o seu Centro de Ciência Energética, a ETH Zurique apoia a transição energética na Suíça com soluções específicas nas áreas de investigação, ensino e transferência de conhecimento.
Já publicado:
Christoph Elhardt
