تصاميم جديدة لمضخات الحرارة تتخلص من المغناطيسات وتستبدلها بالمبردات

تحسين توليد الحرارة

من بين كل المطالب المحتملة للطاقة، تعد الحرارة الاستخدام النهائي الأعلى (بما في ذلك، على سبيل المثال، تحويل الكهرباء إلى حرارة). لذا فمن المنطقي أن يحدث إزالة الكربون فقط إذا تم توليد الحرارة بأكثر الطرق خضرة ممكنة، وبكفاءة عالية.

ولكن هذا الأمر ما زال بعيداً عن الانتهاء، حيث تمثل الوقود الأحفوري 63% من استخدام الطاقة العالمي للتدفئة المرتبطة بالمباني، وهو انخفاض قدره 4 نقاط مئوية فقط منذ عام 2010.

المصدر IEA

وهذا يشكل عائقًا كبيرًا أمام أي سيناريو يهدف إلى تحقيق صافي انبعاثات صفري، ويتطلب على الأقل نفس القدر من الجهد الذي يتطلبه تحويل وسائل النقل الفردية إلى المركبات الكهربائية.

في الوقت الحالي، تتمثل الطريقة الرئيسية في التحول نحو المضخات الحرارية، والتي بدلاً من حرق الأشياء لإنتاج الحرارة، تنقلها من نقطة إلى أخرى.

ورغم أن مضخات الحرارة أصبحت أكثر كفاءة، فإنها لا تزال بحاجة إلى التحسين. وهذا ما يعمل عليه الباحثون في مختبر أميس الوطني (الولايات المتحدة) وجامعة ولاية أيوا، من خلال نوع جديد من مضخات الحرارة يسمى "مضخة الحرارة المغناطيسية الحرارية".

وقد نشروا مؤخرًا نتائجهم الأخيرة في مجلة Applied Energy، تحت عنوان "تقنية المضخة الحرارية المغناطيسية القابلة للتطوير والمدمجة¹".

كيف تعمل مضخات الكومة التقليدية؟

المفهوم الأساسي للمضخة الحرارية هو "الاستيلاء" على الطاقة من مكان واحد، ونقلها إلى مكان آخر.

وعادةً ما يقوم باستخراج الحرارة من البيئة المحيطة بالمنزل أو المباني الأخرى ثم يعيد حقنها إلى الداخل.

نظرًا لأنه لا يتم توليد أي حرارة في الواقع، بل يتم نقلها فقط، فيمكنها عرض معدلات كفاءة أعلى من 100% عند قياسها بوحدات واط في الساعة (Wh) من الكهرباء المستهلكة.

كما أن هذا النظام أكثر تعددًا في الاستخدامات من نظام التدفئة التقليدي، حيث يمكنه العمل في الاتجاه المعاكس أيضًا. لذا، في معظم الحالات، يمكنه أيضًا أن يعمل كنظام تبريد خلال أشهر الصيف.

المصدر مستودع المضخات الحرارية

تستخدم مضخة الحرارة النموذجية نظام ضغط الغاز لنقل الحرارة، حيث تمتص الغازات الحرارة أو تطلقها عندما يتم ضغطها/إزالة ضغطها.

يعد ضغط الغاز الطريقة الأكثر استخدامًا، لأنها تقنية معروفة جدًا، وتعتمد على الصمامات والأنابيب والضواغط التي لا تختلف كثيرًا عن تلك المستخدمة منذ عقود من الزمن.

ومع ذلك، قد لا يكون هذا هو أفضل تصميم ممكن لمضخة الحرارة، حيث يصبح المغناطيس منافسًا قويًا.

أنواع المضخات الحرارية

تختلف تصميمات المضخات الحرارية المختلفة بعدة طرق، بما في ذلك أين يستخرجون الطاقة، وأين يرسلونها، وما إذا كانوا متكيفين مع المناخات الباردة أم لا.

Eمصادر الطاقة

• المصدر الأرضي: تُعرف أيضًا باسم المضخات الحرارية الأرضية، فهي تستمد الحرارة من الأرض وتشتهر بكفاءتها العالية.
• مصدر الهواء: النوع الأكثر شيوعًا، يستخرج الحرارة من الهواء ويسهل تركيبه مقارنة بالمضخات الأرضية.
• مصدر المياه: تستخدم هذه مصادر المياه القريبة مثل البحيرات أو الآبار للتبادل الحراري.

التثبيت

• أنبوبي: وهي مدمجة في مجاري الهواء بالمنزل، وتوفر التدفئة والتبريد المركزيين.
• انقسام مصغرة: مثالية للمنازل التي لا تحتوي على قنوات، فهي تسمح بالتحكم الفردي في درجات حرارة الغرفة.

مناخ

• المناخ البارد: تم تصميم هذه المضخات الحرارية خصيصًا للمناطق ذات الشتاء القاسي، وتحافظ على الكفاءة حتى في درجات الحرارة شديدة البرودة بسبب الميزات المتقدمة مثل الضواغط متغيرة السرعة.
• المناخ الطبيعي: مثالية للمناخات المعتدلة، فهي مضخات حرارية قياسية مناسبة لاحتياجات التدفئة والتبريد النموذجية.

طريقة نقل الحرارة

• ضغط الغاز:يعمل بشكل جيد إلى حد ما، باستخدام تكنولوجيا بسيطة ومعروفة.
• مغناطيس: مجموعة فرعية من مضخة الحرارة الحرارية "الحالة الصلبة" الأكبر حجمًا، والتي لا تتطلب أي سائل تبريد.

تقنية المضخة الحرارية المغناطيسية (MCHP)

يستخدم MCHP مبادئ التأثيرات المغناطيسية الحرارية، أو تبريد أو تسخين المواد المغناطيسية مع تغيير المجال المغناطيسي المطبق خارجيًا.

المصدر التوقيت الصيفي

من الناحية النظرية، يمكن أن يكون هذا النظام أفضل بكثير، لأنه يزيل الحاجة إلى مواد التبريد، والتي تكون سامة بشكل عام و/أو ضارة بالبيئة، والتي تتسرب في كثير من الأحيان من مضخات الحرارة التقليدية، وخاصة عندما تصبح المعدات قديمة.

على مر السنين، تم اقتراح الكثير من التصميمات المختلفة لمضخات الحرارة المغناطيسية الحرارية باستخدام إعدادات مختلفة:

• قوة المجالات المغناطيسية المختلفة.
• مواد مغناطيسية حرارية مختلفة، مثل الغادولينيوم النقي، وسبائك الغادولينيوم، وسبائك LaFeSi (اللانثانوم والحديد والسيليكون).
• أشكال مختلفة للمادة المغناطيسية الحرارية.

لقد أثبتت هذه الأنظمة كفاءة أعلى من أفضل أنظمة ضغط البخار. كما أن مدى درجة حرارتها وقوتها الحرارية كانت متناسبة بشكل جيد.

ومع ذلك، لم يثبت بعد أن هذه الأنظمة قادرة على منافسة المضخات الحرارية التقليدية من حيث التكلفة والكتلة والحجم، وهي كلها اعتبارات مهمة لتحقيق النجاح التجاري المحتمل.

الأداء المتغير

قام الباحثون بقياس كثافة الطاقة للنظام (SPD) لمختلف التصاميم المقترحة لـ MCHP، أو الطاقة الحرارية بالواط مقسومة على كتلة الجهاز بالكيلوجرام.

تظهر الأدبيات العلمية الموجودة مجموعة واسعة من SPD، تتراوح من حوالي 1 إلى 40 واط / كجم.

ومن المثير للاهتمام أن اثنين من التصميمات ذات أعلى SPD اتبعا نهجين مختلفين تمامًا: أحدهما استخدم مجالات مغناطيسية عالية بترددات عالية، والآخر استخدم مجالات منخفضة بترددات منخفضة. لذا فمن المحتمل أن تكون هناك طرق متعددة كل منها قابلة للتطبيق من الناحية الفنية.

التنافس مع الضواغط

قام الباحثون بفحص طرق متعددة لتعزيز SPD، وهو مجال بحثي تم إهماله حتى الآن، بكفاءة مطلقة وبمزيد من التركيز من قبل الباحثين في علوم المواد.

ومع ذلك، فمن المرجح أن يكون SPD هو العامل الأكثر أهمية في التبني الجماعي لمثل هذه المضخات الحرارية، حيث لن يقبل أي مستخدم نهائي، سواء مستهلكين أو بناة، مضخات حرارية بحجم غرفة كاملة أو ثقيلة للغاية بحيث لا يمكن التعامل معها بسهولة.

لقد استخدموا مجموعة متنوعة من الأساليب:

• التنوع في السبائك المغناطيسية المستخدمة:
  • بلغت القدرة لكل كتلة 374 واط/كجم للغادولينيوم وحده.
  • بلغت 854 واط/كجم للمواد القائمة على LaFeSi وحدها.
• تصاميم مختلفة من المواد المغناطيسية، من الألواح إلى الخرز.
• نبضات مغناطيسية مختلفة، تختلف في التردد والشدة.

ومن خلال هذا الاختبار المنهجي، وجد الباحثون أنه من خط الأساس الفني البالغ 5.9 واط/كجم، يمكن تعزيز أنظمة MCHP حتى 81.3 واط/كجم، أو ما يقرب من 14 ضعفًا من زيادة كثافة طاقة النظام.

ومن خلال هذه النتائج، يبدو أن وحدات MCHP يمكنها أن تتطابق تقريبًا مع SPD لبعض مضخات الحرارة المعتمدة على الضواغط المستخدمة حاليًا، وخاصة بالنسبة لقدرات التبريد المنخفضة أو المتوسطة (< 200 وات).

شركات المضخات الحرارية المغناطيسية

لا يبدو أن الشركة التالية هي شركة مدرجة في البورصة حتى الآن وتبيع حاليًا MCHP. ومع ذلك، فهي مجال نشط للغاية مع العديد من الشركات الناشئة، وغالبًا ما تكون شركات فرعية لأبحاث متطورة أجريت في أفضل الجامعات. على سبيل المثال:

• المغنيط جهاز كهربائي
• ماغنوثرم
• كول تيك، هي شركة تابعة للشركة الألمانية مجموعة هايداك(مملوكة للقطاع الخاص أيضًا).
• كامفريدج

لذا، على الرغم من أنه ليس من السهل الوصول إليه، إلا أنه يمكن أن يكون فكرة مثيرة للاهتمام للأشخاص الذين هم مستثمرون معتمدون ولديهم إمكانية الوصول إلى مثل هذه الاستثمارات.

شركة الغادولينيوم

الغادولينيوم هو عنصر أرضي نادر، ويتم إنتاج 97% من الإنتاج العالمي (ثاني أكسيد الغادولينيوم) بواسطة الصين.

ومن المثير للاهتمام أن المعدن لديه حاليا تطبيق محدود إلى جانب الاستخدامات المتخصصة مثل امتصاص النيوترونات في بعض المفاعلات النووية أو عوامل التباين المغناطيسي للتصوير بالرنين المغناطيسي، وبالتالي سيكون موردا مثاليا للاستخدام بدلا من المبردات الملوثة المستخدمة حاليا في مضخات الحرارة.

ومع تصاعد التوترات التجارية بين الولايات المتحدة والصين بشكل مستمر منذ رئاسة ترامب الأولى، فمن المرجح أن يفضل أي مستثمر غربي على استعداد للمراهنة على المعادن النادرة، بما في ذلك الغادولينيوم، مصادر بديلة.

ومن بين هذه الشركات المحتملة شركة Neo Materials.

تتخصص شركة Neo Materials في إنتاج المعادن النادرة والمواد الحيوية. ويشمل ذلك الغادولينيوم، ولكن أيضًا المعادن النادرة والمواد الحيوية الأخرى حاليًا، مثل الهافنيوم والنيوبيوم والغاليوم والمغناطيسات الأرضية النادرة.

المصدر مواد جديدة

كل هذه المنتجات ضرورية لإنتاج أشباه الموصلات، ومغناطيسات توربينات الرياح، والسيارات الكهربائية، وما إلى ذلك. وفي معظم الحالات، يتم توريد 90-99% منها من قبل الصين.

وتحقق الشركة معظم إيراداتها من "ماجنيكنش": مساحيق مغناطيسية ومغناطيسات من النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) تستخدم في المحركات الكهربائية (بما في ذلك السيارات الكهربائية).

ويأتي ثاني أكبر مصدر من المواد الكيميائية والأكاسيد المستخدمة في البترول والمحفزات الكيميائية، والسيارات الهجينة والكهربائية، وتنقية المياه، والشاشات عالية الكفاءة، والعدسات البصرية، والإلكترونيات الاستهلاكية، وما إلى ذلك.

المصدر مواد جديدة

كما أن إيرادات نيو متنوعة للغاية من الناحية الجغرافية، مما يجعلها أكثر أمانًا من العواصف الجيوسياسية مقارنة بمعظم الشركات في هذا القطاع. وهي تصنع بعض المنتجات في الصين، بل إنها حولت شركة AsiaMag، التي استحوذت عليها في عام 2019، إلى أكبر 5 شركات لتصنيع المغناطيس المترابط في الصين من خلال زيادة حجم مبيعاتها بمقدار 5 أضعاف.

ولكنها تعمل أيضًا على تنويع المخاطر الجغرافية. على سبيل المثال، ستبني الشركة بشكل ملحوظ في الاتحاد الأوروبي (إستونيا) أول مصنع خارج الصين لتصنيع المركبات الكهربائية باستخدام المغناطيس المتكلس، ومن المتوقع أن يبدأ الإنتاج في عام 2025.

المصدر مواد جديدة

بشكل عام، تتمتع شركة نيو ماتيريالز بأكبر قدر من التكامل في سلسلة قيمة المغناطيس الدائم والأرض النادرة خارج الصين، حيث تقوم فقط بتعدين الخام غير المتكامل رأسياً.

كما تمتلك الشركة عددًا أكبر من الدرجات العلمية المتقدمة في مجال المعادن النادرة والخبراء الفنيين في مجال المنتجات المغناطيسية للمعادن النادرة مقارنة بأي شركة أخرى خارج الصين أو اليابان. وحتى في اليابان، تستطيع الشركة التغلب على المنافسين المحليين في إبرام العقود مع شركات مثل هوندا أو دايدو ستيل.

المصدر مواد جديدة

إن هذا الحضور القوي في المواد الحاسمة للتحول الأخضر، فضلاً عن العديد من التطبيقات عالية التقنية من تصنيع أشباه الموصلات إلى السبائك الخاصة والمحفزات، يجعل نيو اختيارًا جيدًا للمستثمرين الذين يبحثون عن التعرض للقطاع، مع إمكانية تحقيق ارتفاع في حالة تفاقم الحروب التجارية.

مرجع الدراسة:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). مراجعة شاملة لتطبيقات التعلم الآلي في أنظمة الطاقة المتجددة. الطاقة التطبيقية، 350، 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}