La refrigerazione magnetica, un approccio innovativo per la riduzione delle emissioni climalteranti

Ad oggi, tra le problematiche ambientali di maggior rilievo, si pone grande attenzione all’impatto legato all’utilizzo dei fluidi frigoriferi, largamente impiegati nei sistemi energetici per la produzione del freddo nel settore civile, terziario ed industriale, soprattutto per la conservazione degli alimenti.

In passato, gran parte degli impianti per la produzione del freddo – essenzialmente basati su cicli frigoriferi a compressione – utilizzavano fluidi contenenti cloro (i ben noti CloroFluoroCarburi, CFC), sostanza responsabile della distruzione dell’ozono stratosferico. L’evoluzione delle normative di riferimento (in primis il protocollo di Montreal del 1987) ha posto stringenti limiti all’utilizzo di tali fluidi frigoriferi, spingendo progressivamente all’utilizzo di fluidi a basso indice ODP (Ozone Depletion Potential) e i fluidi contenenti cloro sono stati definitivamente banditi. Tali fluidi sono stati sostituiti con sostanze ritenute meno nocive per l’ambiente e per l’uomo, come gli IdroFluoroCarburi, HFC. Tuttavia, recenti normative (si veda il regolamento F-Gas europeo) hanno ristretto l’impiego anche di questi fluidi, che sono caratterizzati da valori molto elevati dell’indice GWP (Global Warming Potential), ovvero l’indice che misura il potenziale di riscaldamento (effetto serra) di un fluido. In molti casi, il potenziale di riscaldamento globale dei fluidi impiegati negli impianti frigoriferi è più di mille volte superiore all’effetto dell’anidride carbonica.

Per ovviare alle problematiche appena descritte, una possibile alternativa ai sistemi frigoriferi a compressione tradizionali può trovare applicazione nella refrigerazione magnetica. Il principio fisico della refrigerazione magnetica è l’effetto magnetocalorico, descritto per la prima volta nel 1881 da Emil Gabriel Warburg (1846-1931). Warburg osservò che l’acciaio, se sottoposto ad un campo magnetico, incrementava la sua temperatura (nell’ordine di alcuni millesimi di grado); lo stesso materiale, estratto dal campo magnetico, si raffreddava tornando alla temperatura iniziale. Solo molti anni dopo, (nel 1926 da P. Debye e indipendentemente nel 1927 da W. Giauque) l’effetto magnetocalorico fu spiegato dal punto di vista teorico. In sintesi, alcuni materiali – detti magnetocalorici – mostrano variazioni di temperatura se sottoposti alla variazione di un campo magnetico.

Per meglio comprendere la refrigerazione magnetica si può partire da un sistema frigorifero a compressione tradizionale, così come rappresentato in Figura 1. L’effetto frigorifero (QFRIGO in Figura 1), ovvero la sottrazione di calore dall’ambiente che si desidera raffreddare, è ottenuto attraverso l’evaporazione (4-1 in Figura 1) di un fluido frigorifero in un separatore. Il ciclo frigorifero si completa con una fase di compressione (1-2) – che richiede una spesa di energia elettrica – una di condensazione (2-3) – ovvero la cessione di calore all’ambiente esterno (QAMB in Figura 1) – e infine una trasformazione di laminazione (3-4).

La refrigerazione magnetica sostituisce la fase di compressione con una magnetizzazione (adiabatica) e la fase di laminazione con una smagnetizzazione (sempre adiabatica).

Con riferimento alla Figura 2, si consideri un materiale magnetocalorico alla temperatura iniziale T (stato 1); tale materiale viene sottoposto ad un campo magnetico di intensità costante (H>0) che provoca l’allineamento dei dipoli magnetici degli atomi riducendo l’entropia stessa del materiale.

Poiché l’energia totale del materiale deve mantenersi costante, la riduzione di entropia si traduce in un aumento di temperatura T + ɅT  (stato 2). L’incremento di temperatura ɅT può essere ceduto all’esterno riportando il materiale – ancora sottoposto al campo magnetico – alla temperatura T (stato 3). La successiva fase di smagnetizzazione, ovvero la rimozione del campo magnetico, comporta un incremento dell’entropia a discapito della temperatura del materiale che pertanto si riduce a T – ɅT (stato 4). A questo punto è possibile riportare il materiale alla temperatura T assorbendo calore dall’esterno, ovvero realizzando l’effetto utile (frigorifero) del ciclo.

Dal punto di vista pratico, il ciclo appena descritto, può essere realizzato con un moto relativo tra un magnete permanente e il materiale magnetocalorico.

L’entità del salto di temperatura (ɅT) che può essere realizzato dipende sia dall’intensità del campo magnetico che dal tipo di materiale magnetocalorico impiegato. Una macchina frigorifera basata sul principio della refrigerazione magnetica può realizzare salti di temperatura compatibili con la climatizzazione estiva e/o la refrigerazione (ad esclusione del congelamento e del surgelamento) degli alimenti. Esiste, comunque, anche la possibilità di mettere in serie più sistemi magnetocalorici per realizzare dei salti di temperatura molto elevati.

Rispetto ai sistemi frigoriferi a compressione, un refrigeratore magnetico presenta il vantaggio di non richiedere l’impiego di fluidi frigoriferi (con evidenti benefici sull’impatto ambientale) e di essere caratterizzato da consumi elettrici estremamente contenuti (non più necessari alla fase di compressione ma solo per la movimentazione dei fluidi e per garantire il moto relativo tra materiale magnetocalorico e magnete permanente).

La refrigerazione magnetica è una tecnologia attualmente in fase di sviluppo prototipale, ma potrebbe rappresentare una fondamentale opportunità per la riduzione delle emissioni climalteranti e dei consumi di energia elettrica destinati alla produzione del freddo.

Attualmente il CIRI Energia e Ambiente è coinvolto in un progetto biennale – finanziato con fondi POR-FESR e coordinato dall’Istituto IMEM di Parma del CNR – finalizzato alla realizzazione di un prototipo di refrigeratore magnetico per alimenti.

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