Termoacustica

Nella tecnica termoacustica la conversione dell'energia termica, anche solare, in energia elettrica avviene attraverso la generazione di energia acustica (suoni monotonali o di una unica frequenza), che possono superare 190dB, e successiva conversione di energia acustica in energia elettrica. I rendimenti ottenuti fino ad ora sono arrivati al 42% del rendimento delle macchine ideali di Carnot e, quindi, maggiori dei migliori motori a combustione interna ed esterna che, notoriamente, hanno rendimenti tra il 20-40% (a ciclo Otto e Diesel) e fino a 38% (a ciclo Stirling ).

Il motore termoacustico è composto essenzialmente da quattro parti:

un contenitore ermetico risonante contenente elio, argon e loro miscele, ad una pressione statica predefinita,
il rigeneratore o lo "stack",
due scambiatori di calore e
un attuatore lineare, o piezoelettrico, che converte le vibrazioni della membrana o pistone oscillante in energia elettrica.

Sezione del motore termoacustico di Oscar Fellows. Le prestazioni ottenute dai prototipi sembrano molto promettenti. Da evidenziare però l’assenza di letteratura scientifica per tali prototipi.
www.io.com/Efrg/tac.htm

Il motore termoacustico non ha cinematismi rotanti, superfici e tenute striscianti, non ha lubrificanti o sistemi di lubrificazione, impiega gas di lavoro naturali, è policombustibile e, inoltre, può utilizzare calore a bassa temperatura (solare termodinamico e tradizionale). I vantaggi disponibili sono numerosi: affidabilità, friendness (amichevolezza) con l'ambiente, costi di produzione ridotti, assenza di manutenzione, semplicità e affidabilità.

Attualmente i motori termoacustici sono in fase di sviluppo prestazionale presso il Los Alamos National Laboratory (LANL), Penn State University (PSU), Naval Postgraduate School (NPS), tutte americane. Tali centri di ricerca pubblica hanno spesso sponsorizzazioni finalizzate allo sviluppo dei motori per applicazioni spaziali. Ad esempio nel 2004 la Northrop Grumman Space Technology e il LANL hanno costruito un generatore termoacustico con una efficienza relativa del 18% e con una densità di energia che può spingersi fino a 8,1 W/kg. Da evidenziare che la Fellows, società americana, ha in corso di sviluppo motori termoacustici con rendimenti ancor maggiori di quelli rilevati dal LANL. Le densità di potenza elettrica sono dell'ordine di 5 W/kg.

E' ancora presto per fare affermazioni sui costi dell'energia prodotta. Possiamo però dire che Fellows stima il costo dei motori termoacustici inferiori a 250 $/kWe mentre per produrre l'energia elettrica il costo stimato è inferiore a 0,025 $/kWhe (costo petrolio "docet").

Si prevede che i motori termoacustici possano entrare nello sviluppo industriale entro 3-5 anni. In questo ambito si prevedono innovazioni di rilievo (invenzioni e brevetti d'utilità) riguardanti il motore stesso e i suoi componenti.

Da sottolineare la possibilità di utilizzare la tecnologia termoacustica anche per generare freddo in modo analogo alle macchine tradizionali a ciclo inverso. E' proprio in questa direzione che vedremo i frigoriferi commerciali entro 2-3 anni come già è stato preannunciato dal team di ricerca della PSU.

Quando i motori termoacustici saranno abbinati ai refrigeratore termoacustici si potrà disporre di un sistema di tri-generazione molto compatto, potenzialmente alimentabile con biomassa, biocombustibile, gas naturale, solare e cascami di calore o di processo. Il LANL e PSU stanno lavorando in questa direzione.

La prima applicazione commerciale della tecnologia termoacustica sarà probabilmente per sistemi di refrigerazione, nell'immagine il refrigeratore termoacustico realizzato dalla Penn State University per la Ben Jerry (sussidiaria Unilever) presentato alla conferenza del giugno 2004 a Bruxelles e a fine agosto 2004 a Glasgow. www.refrigerantsnaturally.com

Applicazioni previste: mezzi di trasporto di tutti i tipi ed esigenze, veicoli privati, mezzi spaziali, gruppi tri-co-generazione, raffreddamento di CPU e schede elettroniche, frigoriferi in tutti i campi, ecc.

Approfondimenti
www.energoclub.org/termoacustica.htm