Nuovo modo per estrarre energia termica da fonti di calore di scarto a bassa temperatura

Un gruppo di ricerca cinese ha sviluppato un nuovo concetto per estrarre energia termica da fonti di calore di scarto a bassa temperatura e riutilizzarla su richiesta semplicemente controllando la pressione.

La produzione di calore rappresenta oltre il 50% del consumo finale di energia mondiale e l’analisi del potenziale di calore di scarto mostra che il 72% del consumo mondiale di energia primaria viene perso dopo la conversione, principalmente sotto forma di calore. È anche responsabile di oltre il 30% delle emissioni globali di gas serra.


In questo contesto, i ricercatori guidati dal Prof. LI Bing dell’Istituto di ricerca sui metalli dell’Accademia cinese delle scienze hanno proposto e realizzato un nuovo concetto: batterie termiche barocaloriche basate sull’esclusivo effetto barocalorico inverso.

Lo studio sarà pubblicato oggi (17 febbraio 2023) sulla rivista I progressi della scienza.

Batterie termiche barocaloriche: ideazione e realizzazione. Credito: Istituto di ricerca sui metalli

Un effetto barocalorico inverso è caratterizzato da una risposta endotermica indotta dalla pressione, in netto contrasto con un normale effetto barocalorico in cui la pressurizzazione porta a una risposta esotermica. “Un ciclo di batteria termica barocalorica consiste in tre fasi, tra cui la carica termica alla pressurizzazione, l’immagazzinamento con la pressione e la scarica termica alla depressurizzazione”, ha affermato il Prof. LI, corrispondente autore dello studio.

La batteria termica barocalorica è stata materializzata in tiocianato di ammonio (NH₄SCN). La scarica si è manifestata come il calore di 43 J g^-1 o un aumento di temperatura di circa 15 K. Il calore rilasciato è stato 11 volte maggiore dell’energia meccanica immessa.

Per comprendere l’origine fisica dell’unico effetto barocalorico inverso, il materiale di lavoro NH₄SCN è stato ben caratterizzato utilizzando raggi X di sincrotrone e tecniche di scattering di neutroni. Subisce una transizione di fase strutturale cristallina da una fase monoclina a una fase ortorombica a 363 K, accompagnata da un’espansione termica volumetrica negativa di ~ 5% e variazioni di entropia di circa 128 J kg^-1 K^-1.

Questa transizione è facilmente guidata da pressioni fino a 40 MPa ed è il primo sistema barocalorico inverso con variazioni di entropia superiori a 100 J kg^-1K^-1. Lo scattering di neutroni dipendente dalla pressione e le simulazioni di dinamica molecolare hanno mostrato che le vibrazioni trasversali degli anioni SCN¯ sono potenziate dalla pressione ei legami idrogeno che formano l’ordine a lungo raggio sono quindi indeboliti.


Di conseguenza, il sistema diventa disordinato in risposta alla pressione esterna e quindi il materiale assorbe calore dall’ambiente.

Come soluzione emergente per la manipolazione del calore, si prevede che le batterie termiche barocaloriche svolgano un ruolo attivo in una varietà di applicazioni come la raccolta e il riutilizzo del calore di scarto industriale a bassa temperatura, i sistemi di trasferimento del calore di refrigerazione a stato solido, le reti intelligenti e la gestione del calore residenziale .

Riferimento: “Batterie termiche basate su effetti barocalorici inversi” 17 febbraio 2023, I progressi della scienza.
DOI: 10.1126/sciadv.add0374

Questo studio è stato sostenuto da CAS, dal Ministero della Scienza e della Tecnologia della Cina e dalla National Natural Science Foundation of China.