الطاقة
تطوير حلول التدفئة والتهوية وتكييف الهواء باستخدام المواد الكهروحرارية
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الطلب الضخم على الطاقة من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
Modern industrial society uses a lot of energy. One application we tend to underestimate when it comes to energy usage is cooling and heating. يمثل أكثر من نصف إجمالي استهلاك الطاقة العالمي، متفوقًا على الكهرباء (20٪) والنقل (30٪).
لذلك ربما يكون من الأكثر أهمية من السيارات الكهربائية، أن يتم كهربة أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) وجعلها أكثر كفاءة لتقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. خاصةً مع توقع أن يتضاعف الطلب على التبريد ثلاث مرات بحلول عام 2050 نتيجةً للتنمية الاقتصادية في البلدان ذات المناخ الحار والكثافة السكانية الكبيرة مثل الهند وإندونيسيا.
المصدر: Daikin
حتى الآن، كانت التقنية المفضلة لتحقيق كفاءة عالية في أنظمة HVAC هي مضخات الحرارة التي تستخدم التبريد بالضغط.
تقنية جديدة الآن تقترب لتحدي الوضع الراهن، تعتمد على مبدأ فيزيائي يُسمى “التبريد الكهروحراري”.
كيف تعمل مضخات الحرارة
All heat pumps, from compression heat pumps to future electrocaloric heat pumps, function on a basic principle: moving heat instead of generating it.
هذا مبدأ مختلف تمامًا عن أنظمة التدفئة القائمة على الوقود الأحفوري وغيرها من أنظمة التدفئة الكهربائية، حيث يتم استهلاك الكهرباء أو الغاز/الفحم/النفط لإنتاج الحرارة.
مضخة الحرارة، بدلاً من ذلك، تأخذ الحرارة من جانب واحد من الجدار وتنقلها إلى الجانب الآخر. في الشتاء، تمتص الحرارة من الخارج وتُرسلها إلى داخل المبنى. في الصيف، تعكس هذه العملية لتبريد المبنى وتعمل كجهاز تكييف.
نقل الحرارة أكثر كفاءة بكثير من توليدها. هذا يسمح لمضخة الحرارة القائمة على الضغط بإنتاج 2-4 واط من الحرارة/البرودة لكل واط من الطاقة المستهلكة.
المصدر: RMI
تتحرك الحرارة داخل وخارج البيئة، مع خيارين رئيسيين هما استخدام الهواء الخارجي أو التربة المحيطة عبر أنابيب تحت الأرض.
تُستخدم مضخات الحرارة غالبًا لتدفئة وتبريد المباني مثل المكاتب والمساحات التجارية والمنازل. ومع ذلك، يمكن استخدامها أيضًا في بيئة صناعية، حيث يتم إعادة استخدام مصادر الطاقة من عملية صناعية إلى أخرى، مما يؤدي إلى توفير هائل في الطاقة هنا أيضًا.
المصدر: Sintef
مضخات الحرارة الكهروحرارية لتجاوز تقنية الضغط
التقدم في تقنية الكهروحرارة
Traditional heat pumps use the thermal effect of compression & decompression to move the heat from one point to another. This requires refrigerant agents like hydrofluorocarbons or ammonia which have either direct or indirect greenhouse effects on the climate.
مبدأ الكهروحرارة مختلف. يسخن النظام الكهروحراري عندما يتعرض للحقول الكهربائية، حيث يتسبب ذلك في توجيه الذرات في اتجاه واحد، مما يقلل الإنتروبيا. والعكس يحدث، حيث يسبب التبريد عندما تتوقف الحقول الكهربائية.
المصدر: Fraunhofer IPM
كانت تأثيرات الكهروحرارة معروفة منذ الستينات، لكن في ذلك الوقت، أقصى فرق حرارة يمكن تحقيقه كان فقط 2.5°C.
تم تحقيق بعض التقدم في عام 2006 عندما حققت طبقة رقيقة من الرصاص-تيتانيوم-أكسجين-زركونيوم قدرة تبريد قدرها 12°C.
ومع ذلك، فإن الاختراق الأخير الذي حقق تغيرًا في درجة الحرارة يقارب 21°C، والذي حققه باحثون من معهد لوكسمبورغ للعلوم والتكنولوجيا في بلفو، يُظهر أن التقنية أصبحت قوية بما يكفي للتطبيقات التجارية.
النموذج الأولي للكهروحرارة
The team used a polymer and lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).
المصدر: UPCommons
أنشأ الباحثون في لوكسمبورغ نموذجًا أوليًا حقق أقصى تبريد عند أقل من 10 فولت لكل ميكرومتر من الطاقة، مما أنتج أقصى تبريد قدره 4.2 واط.
المصدر: Techspot
هذا تحسين جذري مقارنةً بجميع الطرق المطورة سابقًا، حيث إن نطاق درجة الحرارة وقوة التبريد، على التوالي، أكبر بنسبة 50٪ و15 مرة مقارنةً بأفضل الأجهزة الكهروحرارية السابقة.
هذا يضع النموذج الأولي في صدارة جميع المفاهيم الكهروحرارية التي تم اختبارها سابقًا.
المصدر: UPCommons
المصدر: UPCommons
تم اختبار المادة أيضًا في دورات تسخين وتبريد متكررة ولم تُظهر أي علامة على التدهور.
من بين العديد من مزايا أنظمة الكهروحرارة أن الاستخدام المباشر للكهرباء يجعل مبردات EC مدمجة في الحجم ومناسبة للتصغير. لذا، إلى جانب مضخات الحرارة المستقبلية، يمكن أيضًا استخدامها في الإلكترونيات الصغيرة والبطاريات.
كما أنها تتمتع بكفاءة عالية جدًا، قد تكون أعلى بكثير مما يمكن لنظام مضخة الحرارة بالضغط أن يطمح لتحقيقه.
تحسينات إضافية
البحث المنشور في مجلة Science يصف نموذجًا أوليًا. كما نُقشت بعض التحسينات الإضافية.
على سبيل المثال، يستخدم النموذج الحالي سائلًا عازلًا بدلاً من الماء لمنع الدوائر القصيرة. ومع ذلك، فإن هذا السائل العازل يمتلك خصائص حرارية ضعيفة مقارنةً بالماء.
لذلك، قد يؤدي تطوير مكثفات متعددة الطبقات مقاومة للماء إلى تحسين كبير في سرعة وقدرة التبريد للنظام.
زيادة عدد وكثافة المكثفات متعددة الطبقات قد ينتج أيضًا عن مزيد من إمكانات التبريد.
أخيرًا، ستساعد الوحدات الكهروحرارية الأرق والأكثر سمكًا، وليس من الواضح ما إذا كان تطبيق حقول كهربائية أعلى ممكنًا وآمنًا.
شركات مضخات الحرارة المتقدمة
There is currently no company commercializing electrocaloric heat pumps or cooling systems. It is still very much an academic and applied physics field.
ومع ذلك، من المحتمل أنه الآن بعد أن تطورت التقنية إلى مستوى من الكفاءة يجعل commercialization ممكنًا، ستسعى هذه المعاهد البحثية إلى تحقيق إيرادات من براءات اختراعها.
لذلك، قد يكون من المثير للاهتمام النظر إلى الرواد في صناعة مضخات الحرارة الذين قد يستفيدون من ترخيص الملكية الفكرية للأجهزة الكهروحرارية.
كما من المحتمل أن تكون عملية إنشاء أنظمة كهروحرارية تجارية المستوى وتوزيعها على المستخدمين النهائيين عملية تتطلب رأس مال كبير، مما يفضّل أكبر اللاعبين في الصناعة.
1. Carrier Global
CARR مخطط السعر
Carrier هي رائدة في HVAC (التجاري والسكني)، سلسلة التبريد، والحرائق والأمن، وتوظف أكثر من 58,000 موظف. رغم أنها لا تبيع فقط مضخات الحرارة، إلا أن هذه الفئة هي محور تركيز الشركة وتراها مستقبل الصناعة.
تركز بشكل أساسي على الأمريكتين، حيث تشكل HVAC أكثر من نصف مبيعاتها.
المصدر: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]
لديها قاعدة مركبة من أكثر من 330,000 نظام HVAC تجاري، 33 مليون نظام HVAC سكني، 1.8 مليون معدات تبريد، وأكثر من 90 مليون نظام للحرائق والأمن.
تسعى الشركة إلى خفض انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) بشكل جذري بحلول عام 2030.
نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من هذه الانبعاثات يأتي من مبردات الأمونيا، فإن إمكانية التحول إلى نظام كهروحراري في المستقبل توفر للصناعة مسارًا حيث تكون انبعاثاتها الوحيدة مرتبطة باستهلاك الطاقة وتعدين المعادن، والتي ستُشغل بالطاقة المتجددة.
المصدر: Carrier Global
2. Daikin Industry
The Japanese company founded in 1924 can claim to be the world’s number 1 air conditioning company.
نشطت الشركة في مجال مضخات الحرارة منذ عام 2006 وأقامت في عام 2008 تحالفًا تجاريًا مع Gree Electric Appliance، الشركة الصينية الرائدة في تصنيع مكيفات الهواء.
تبيع منتجاتها في الغالب في الأمريكتين وأوروبا وشرق آسيا، لكنها شهدت نموًا انفجاريًا في أسواق مثل الهند أيضًا، حيث ارتفعت المبيعات بمقدار 23 مرة بين عامي 2009 و2022.
المصدر: Daikin
إحدى نقاط القوة التنافسية لشركة Daikin هي مبرد R32، الذي يتمتع بأثر أقل بكثير على الاحتباس الحراري مقارنةً بمنافسيها.
هذا يعني أن ظهور أنظمة الكهروحرارة قد يشكل على المدى القصير تهديدًا لموقع الشركة التنافسي.
المصدر: Daikin
ولكن في الوقت نفسه، يعكس ذلك تركيز الشركة المسبق على الأثر البيئي لأنظمة التبريد وقدرات الابتكار لديها (استثمرت 300 مليون دولار في مركز أبحاث وتطوير جديد في عام 2015)، مما يجعلها مرشحًا جيدًا لتطوير هذه الأنظمة على نطاق تجاري.
مؤشر قوي على التزام Daikin بالابتكار الصديق للبيئة هو الوصول المجاني عالميًا إلى براءات الاختراع الأساسية لـ R32 منذ عام 2015 والوصول المجاني في عام 2019 إلى جميع براءات مجموعة الشركة منذ عام 2011.
3. NIBE Group
Investors interested in the prospect of heat pumps and electrocaloric systems might want a company fully dedicated to the sector, without the distractions and risks associated with other technologies.
في هذه الحالة، قد يكونون مهتمين بشركة Nibe، وهي شركة أوروبية تصنع مضخات الحرارة، بالإضافة إلى المواقد الخشبية (مصدر حرارة محايد للكربون).
الشركة أصلها من السويد ولا تزال تجري جزءًا كبيرًا من مبيعاتها في دول الشمال الأوروبي، وكذلك في أوروبا. كان لديها 21,333 موظفًا في عام 2022.
المصدر: Nibe
قامت مضخات الحرارة الخاصة بالشركة بتفادي انبعاثات 360,000 طن من CO2 في عام واحد فقط.
كشركة أكثر تركيزًا، Nibe بحجمها مساوية لـ Daikin أو Carrier عندما يتعلق الأمر بمضخات الحرارة فقط.
مع تقدم الأبحاث حول المواد الكهروحرارية في دول مثل لوكسمبورغ وألمانيا، قد يفتح ذلك الطريق أمام الشركات الأوروبية مثل Nibe لتأسيس علاقات مميزة مع الباحثين وأن تكون من أوائل من يوسعون عروضهم إلى ما يتجاوز مضخات الحرارة القائمة على الضغط.
