Indagine su una rete energetica termochimica per il recupero efficiente del calore di scarto

Trasformare il calore di scarto in una risorsa energetica nascosta

Fabbriche e centrali rilasciano costantemente aria e gas caldi nell’atmosfera. Gran parte di questo calore è a bassa temperatura e di solito considerata troppo debole per essere recuperata, dunque viene semplicemente sprecata. Questo studio mostra come una rete basata su un fluido speciale possa assorbire quel calore dimenticato, immagazzinarlo e poi usarlo per asciugare l’aria o fornire riscaldamento e raffreddamento utili. Per la vita quotidiana, ciò potrebbe tradursi in edifici più efficienti e un’industria più pulita senza costruire nuove centrali.

Una rete costruita attorno a un fluido operativo

I ricercatori hanno realizzato in laboratorio una rete completa di energia basata su un fluido termochimico. Invece di usare acqua semplice come nei sistemi di riscaldamento tradizionali, la rete fa circolare una soluzione salina che assorbe volentieri l’umidità dall’aria. Questo fluido viaggia attraverso due zone principali: colonne deumidificatrici sul lato della domanda e colonne rigeneratrici sul lato dell’offerta. Nelle deumidificatrici, l’aria umida di una stanza o di un processo viene asciugata mentre il fluido cattura il vapore acqueo. Nelle rigeneratrici, il calore di scarto riscalda il fluido, facendo rilasciare nuovamente il vapore e rendendo il fluido concentrato e pronto ad assorbire di nuovo. Serbatoi, pompe, ventilatori e riscaldatori collegano questi elementi in un circuito chiuso che può spostare sia calore sia umidità dove servono.

Esplorare i diversi modi con cui arriva il calore di scarto

Nelle fabbriche reali, il calore di scarto non arriva come un flusso uniforme e costante. A volte si presenta con salite e discese graduali, altre volte è quasi costante, e in alcuni impianti si manifesta come picchi netti. Per riprodurre questa varietà, il team ha testato tre profili di riscaldamento. Un profilo costante manteneva la temperatura a un livello fisso. Un profilo gaussiano, o a campana, saliva lentamente fino a una temperatura di picco per poi scendere, come un impulso controllato di calore. Un terzo profilo imitava un ossidatore termico rigenerativo, un dispositivo comune per il controllo dell’inquinamento, in cui la temperatura sale e scende in cicli ripetitivi. Eseguendo la stessa rete con tutti e tre i profili e variando portate d’aria e della soluzione e le temperature di rigenerazione, gli autori hanno potuto valutare come il sistema affronta calore di scarto realistico e variabile nel tempo.

Come portate e temperatura influenzano le prestazioni

Per valutare le prestazioni sono state usate diverse misure semplici: quanto cambia l’umidità dell’aria, quanta acqua viene rimossa per unità di calore fornito e quanto il sistema si avvicina alla sua capacità di essiccazione ideale. Portate del liquido più basse generalmente hanno dato maggiore efficienza, perché una quantità minore di fluido riceveva e utilizzava il calore disponibile in modo più efficace. A una portata della soluzione di circa 0,03 chilogrammi al secondo, la rete recuperava all’incirca il 30% dell’energia teoricamente disponibile. L’aumento della temperatura di rigenerazione ha avuto un effetto potente: intorno agli 80 gradi Celsius, il fluido poteva provocare grandi variazioni dell’umidità dell’aria diventando al contempo meno sensibile al rapporto esatto tra portata liquida e gassosa. In altre parole, il calore di scarto più elevato rendeva il sistema non solo più performante ma anche più facile da gestire in un ampio intervallo di condizioni.

Quale profilo di riscaldamento funziona meglio

Confrontando direttamente i tre profili di calore di scarto, uno è emerso come preferibile. Il riscaldamento gaussiano a campana ha fornito la maggiore quantità di acqua rimossa per unità di calore ai bassi rapporti liquido‑gas, superando sia il riscaldamento costante sia i cicli netti on‑off del profilo simile all’ossidatore. Il profilo costante si è comportato comunque bene con portate liquide basse ma le prestazioni sono diminuite all’aumentare della portata, mentre il profilo rapido on‑off è rimasto generalmente indietro. In tutti i casi, aumentare il rapporto liquido‑gas ha ridotto le prestazioni: spingere più soluzione attraverso il sistema richiedeva più calore per un guadagno di essiccazione limitato. Queste tendenze suggeriscono un chiaro messaggio di progetto: abbinare calore di scarto moderato o pulsato a flussi di fluido relativamente bassi per ottenere il massimo beneficio.

Predizione intelligente con l’intelligenza artificiale

Per aiutare i futuri progettisti, il team ha sviluppato anche un simulatore leggero basato sull’intelligenza artificiale fondato su un perceptron multistrato, una forma di rete neurale. Invece di risolvere equazioni fisiche complesse in tempo reale, questo modello apprende dai dati sperimentali come il sistema risponde a diverse combinazioni di portata d’aria e del fluido, temperatura e tempo. Una volta addestrato, può stimare istantaneamente output chiave come la variazione di umidità e l’efficacia dell’essiccazione. Il simulatore ha avuto prestazioni particolarmente buone a bassi rapporti liquido‑gas e sotto riscaldamento costante e gaussiano, con piccole discrepanze tra valori previsti e misurati. L’accuratezza è diminuita leggermente alle portate liquide più elevate, indicando possibili direzioni per miglioramenti futuri.

Cosa significa per un’industria più pulita

Guardata da una prospettiva ampia, la ricerca dimostra che il calore di scarto a bassa temperatura, spesso considerato inutile, può diventare una risorsa preziosa se accoppiato a una rete di fluidi termochimici. Se si scelgono portate adeguate e si mirano temperature di rigenerazione intorno ai 70–80 gradi Celsius, le industrie possono recuperare quantità significative di energia e controllo dell’umidità da flussi di scarico che altrimenti verrebbero gettati via. La capacità aggiuntiva di prevedere le prestazioni con uno strumento basato su AI rende più semplice pianificare e gestire tali sistemi in stabilimenti complessi e variabili. Per il grande pubblico, questo indica siti industriali che funzionano in modo più efficiente, emettono meno anidride carbonica e sfruttano meglio ogni bit di calore che già producono.

Citazione: Bhowmik, M., Giampieri, A., Ma, Z. et al. Investigation on thermochemical energy network for efficient waste heat recovery. Sci Rep 16, 8523 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39243-7

Parole chiave: recupero del calore di scarto, fluido termochimico, efficienza energetica industriale, essiccante liquido, modellazione energetica AI