تصاميم جديدة لمضخات الحرارة تستغني عن المبردات باستخدام المغناطيس

تحسين توليد الحرارة

من بين جميع الطلبات الممكنة للطاقة، تُعد الحرارة أعلى استهلاك نهائي (بما في ذلك، على سبيل المثال، تحويل الكهرباء إلى حرارة). لذا من المنطقي أن يحدث خفض الكربون فقط إذا تم توليد الحرارة بأكثر طريقة خضراء ممكنة، وبكفاءة عالية.

هذا لا يزال بعيدًا عن الإنجاز، حيث تمثل الوقود الأحفوري 63٪ من استهلاك الطاقة العالمي لتدفئة المباني، وهو انخفاض بمقدار 4 نقاط مئوية فقط منذ عام 2010.

المصدر: IEA

هذا يشكل عائقًا كبيرًا أمام أي سيناريو صافي صفر، ويتطلب جهدًا لا يقل عن تحويل وسائل النقل الفردية إلى السيارات الكهربائية.

في الوقت الحالي، كانت الطريقة الرئيسية هي اللجوء إلى مضخات الحرارة، التي بدلاً من حرق المواد لإنتاج الحرارة، تنقلها من نقطة إلى أخرى.

حتى وإن كانت أكثر كفاءة، لا يزال بإمكان مضخات الحرارة أن تتحسن. هذا ما يعمل عليه الباحثون في مختبر آيمز الوطني (الولايات المتحدة) وجامعة ولاية أيوا، من خلال نوع جديد من مضخات الحرارة يُسمى “مضخة الحرارة المغناطيسية الحرارية”.

نشَروا مؤخرًا أحدث نتائجهم في مجلة Applied Energy، تحت عنوان “تقنية مضخة الحرارة المغناطيسية الحرارية القابلة للتوسع والمدمجة¹“.

كيف تعمل مضخات الحرارة التقليدية؟

المفهوم الأساسي لمضخة الحرارة هو “التقاط” الطاقة في مكان ما، ونقلها إلى مكان آخر.

عادةً، تقوم باستخلاص الحرارة من البيئة المحيطة بالمنزل أو المباني الأخرى وتعيد حقنها إلى الداخل.

نظرًا لأنه لا يتم توليد حرارة فعلًا، بل يتم نقلها فقط، يمكن أن تظهر معدلات كفاءة تتجاوز 100٪ عند قياسها بوحدات وات-ساعة (Wh) من الكهرباء المستهلكة.

هذا النظام أكثر تعددية من نظام التدفئة التقليدي، حيث يمكنه العمل بالعكس أيضًا. لذا في معظم الحالات، يمكن أن يعمل أيضًا كتبريد خلال أشهر الصيف.

المصدر: The Heat Pump Warehouse

تستخدم مضخة الحرارة النموذجية نظام ضغط الغاز لنقل الحرارة، حيث تمتص الغازات أو تُطلق الحرارة عند ضغطها/تفريغها.

ضغط الغاز هو الطريقة الأكثر شيوعًا، لأنه تقنية معروفة جدًا، وتعتمد على الصمامات والأنابيب والضواغط التي لا تختلف كثيرًا عن تلك المستخدمة قبل عقود.

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

أنواع مضخات الحرارة

تختلف تصاميم مضخات الحرارة بطرق متعددة، بما في ذلك مكان استخراج الطاقة، ومكان إرسالها، وما إذا كانت مُكيّفة للمناخات الباردة أم لا.

مصادر الطاقة

• مصدر أرضي: يُعرف أيضًا بمضخات الحرارة الجوفية، تستغل الحرارة من الأرض وتشتهر بكفاءتها العالية.
• مصدر هوائي: النوع الأكثر شيوعًا، يستخلص الحرارة من الهواء وأسهل في التركيب مقارنة بمضخات المصدر الأرضي.
• مصدر مائي: يستخدم مصادر مائية قريبة مثل البحيرات أو الآبار لتبادل الحرارة.

التركيب

• مركب في مجاري الهواء: مدمج في مجاري المنزل، يوفر تدفئة وتبريد مركزي.
• نظام ميني-سبليت: مثالي للمنازل بدون مجاري، يتيح التحكم الفردي في درجات حرارة الغرف.

المناخ

• مناخ بارد: مصمم خصيصًا للمناطق ذات الشتاء القاسي، تحافظ هذه المضخات على الكفاءة حتى في درجات حرارة منخفضة جدًا بفضل ميزات متقدمة مثل الضواغط ذات السرعة المتغيرة.
• مناخ معتدل: مثالي للمناخات المتوسطة، هذه مضخات قياسية مناسبة لاحتياجات التدفئة والتبريد النموذجية.

طريقة نقل الحرارة

• ضغط الغاز: يعمل بشكل معقول، باستخدام تقنية بسيطة ومعروفة.
• المغناطيس: جزء من فئة مضخات الحرارة الحرارية الصلبة الأكبر، والتي لا تحتاج إلى سائل تبريد.

تقنية مضخة الحرارة المغناطيسية الحرارية (MCHP)

تستخدم MCHP مبادئ التأثيرات المغناطيسية الحرارية، أي تبريد أو تسخين المواد المغناطيسية بتغيير المجال المغناطيسي المطبق خارجيًا.

المصدر: DST

نظريًا، يمكن أن يكون هذا نظامًا أفضل بكثير، حيث يلغي الحاجة إلى مواد التبريد، التي تكون عادة سامة و/أو ضارة بالبيئة، وغالبًا ما تتسرب من مضخات الحرارة التقليدية، خاصةً عندما يشيخ الجهاز.

على مر السنين، تم اقتراح العديد من التصاميم المختلفة لمضخات الحرارة المغناطيسية الحرارية باستخدام ترتيبات مختلفة:

• قوة المجالات المغناطيسية المختلفة.
• مواد مغناطيسية حرارية مختلفة، مثل الغادولينيوم النقي، سبائك الغادولينيوم، وسبائك LaFeSi (لانثانوم-حديد-سيليكون).
• أشكال مختلفة للمادة المغناطيسية الحرارية.

أظهرت هذه الأنظمة كفاءة أعلى من أفضل أنظمة ضغط البخار. كما كان نطاق درجات الحرارة والطاقة الحرارية متطابقين بشكل جيد.

مع ذلك، لم يُثبت بعد أن هذه الأنظمة يمكن أن تضاهي مضخات الحرارة التقليدية من حيث التكلفة والكتلة والحجم، وهي جميعها اعتبارات هامة للنجاح التجاري المحتمل.

أداء متغير

قاس الباحثون كثافة طاقة النظام (SPD) لتصاميم MCHP المقترحة المختلفة، أي الطاقة الحرارية بالواط مقسومة على كتلة الجهاز بالكيلوغرام.

تظهر الأدبيات العلمية الحالية مجموعة واسعة من قيم SPD، تتراوح بين ∼1 إلى 40 واط/كغ.

ومن المثير للاهتمام، أن اثنين من التصاميم ذات أعلى SPD اتبعا نهجين مختلفين تمامًا: أحدهما استخدم حقولًا مغناطيسية عالية بترددات مرتفعة، والآخر استخدم حقولًا منخفضة بترددات منخفضة. لذا من المحتمل وجود عدة نهج كل منها قابل للتنفيذ تقنيًا.

التنافس مع الضواغط

بحث الباحثون عن طرق متعددة لزيادة SPD، وهو مجال بحث تم إهماله حتى الآن، مع التركيز على الكفاءة المطلقة ومزيد من اهتمام باحثي علوم المواد.

ومع ذلك، من المحتمل أن يكون SPD هو العامل الأكثر أهمية لتبني هذه المضخات على نطاق واسع، حيث لن يقبل أي من المستخدمين النهائيين، سواء المستهلكين أو البنائين، مضخات حرارة بحجم غرفة كاملة أو ثقيلة جدًا بحيث يصعب التعامل معها.

استخدموا مجموعة متنوعة من الأساليب:

• تغيير السبيكة المغناطيسية المستخدمة:
  • كانت القدرة لكل كتلة 374 واط/كغ للغادولينيوم وحده.
  • كانت 854 واط/كغ للمواد القائمة على LaFeSi وحدها.
• تصاميم مختلفة للمادة المغناطيسية، من الألواح إلى الكريات.
• نبضات مغناطيسية مختلفة، تتفاوت في التردد والشدة.

من خلال هذا الاختبار المنهجي، وجد الباحثون أنه من أساس تقني قدره 5.9 واط/كغ، يمكن رفع أنظمة MCHP إلى 81.3 واط/كغ، أي زيادة تقريبًا بمقدار 14 مرة في كثافة طاقة النظام.

من هذه النتائج، يبدو أن MCHP يمكن أن تقارب تقريبًا SPD لبعض مضخات الحرارة القائمة على الضواغط المستخدمة حاليًا، خاصةً لطاقات التبريد المنخفضة أو المتوسطة (< 200 واط).

شركات مضخات الحرارة المغناطيسية الحرارية

الشركة التالية لا تبدو أنها شركة مدرجة في البورصة حتى الآن وتبيع MCHP. ومع ذلك، فإن هذا المجال نشط جدًا مع العديد من الشركات الناشئة، وغالبًا ما تكون نتاج أبحاث متقدمة تُجرى في الجامعات الرائدة. على سبيل المثال:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, هي شركة تابعة للمجموعة الألمانية HYDAC Group (وهي أيضًا خاصة).
• Camfridge

لذا، رغم صعوبة الوصول إليها، قد تكون فكرة مثيرة للاهتمام للأشخاص الذين هم مستثمرون معتمدون ولديهم إمكانية الوصول إلى مثل هذه الاستثمارات.

شركة الغادولينيوم

الغادولينيوم هو عنصر أرض نادرة، وتنتج الصين 97٪ من الإنتاج العالمي (أكسيد الغادولينيوم).

ومن المثير للاهتمام، أن هذا المعدن حاليًا لديه تطبيقات قليلة بخلاف الاستخدامات المتخصصة مثل امتصاص النيوترونات في بعض المفاعلات النووية أو عوامل التباين المغناطيسية للتصوير بالرنين المغناطيسي، وبالتالي سيكون موردًا مثاليًا للاستفادة منه بدلاً من المبرد الملوث المستخدم حاليًا في مضخات الحرارة.

مع تصاعد التوترات التجارية بين الولايات المتحدة والصين باستمرار منذ بداية رئاسة ترامب، من المرجح أن أي مستثمرين غربيين يرغبون في المراهنة على الأرض النادرة، بما في ذلك الغادولينيوم، سيفضلون مصادر بديلة.

شركة محتملة من هذا النوع هي Neo Materials.

تتخصص Neo Materials في إنتاج الأرض النادرة والمواد الحرجة. وهذا يشمل الغادولينيوم، بالإضافة إلى غيره من الأرض النادرة والمواد الحرجة الحالية، مثل الهافنيوم، النيوبيم، الغاليوم، والمغناطيسات الأرضية النادرة.

المصدر: Neo Materials

جميع هذه المنتجات حاسمة لإنتاج أشباه الموصلات، ومغناطيسات توربينات الرياح، والسيارات الكهربائية، وما إلى ذلك. وفي معظم الحالات، يتم توريدها بنسبة 90-99٪ من الصين.

تحقق الشركة معظم إيراداتها من “Magnequench”: مساحيق ومغناطيسات النيوديميوم-حديد-بورون (NdFeB) المستخدمة في المحركات الكهربائية (بما في ذلك السيارات الكهربائية).

الثاني من حيث الحجم يأتي من المواد الكيميائية والأكاسيد المستخدمة في البترول ومحفزات الكيميائيات، والهجينة والسيارات الكهربائية، وتنقية المياه، والشاشات عالية الكفاءة، والعدسات البصرية، والإلكترونيات الاستهلاكية، وما إلى ذلك.

المصدر: Neo Materials

إيرادات Neo أيضًا متنوعة جغرافيًا بشكل كبير، مما يجعلها أكثر أمانًا من العواصف الجيوسياسية مقارنةً بمعظم الشركات في هذا القطاع. تصنع بعض المنتجات في الصين وقد حولت حتى شركة AsiaMag، التي استحوذت عليها في عام 2019، إلى واحدة من أكبر خمس صانعي المغناطيسات المربوطة في الصين بزيادة حجم مبيعاتها خمس مرات.

ولكنها أيضًا تنوع مخاطرها الجغرافية. على سبيل المثال، ستقوم الشركة ببناء أول مصنع للمغناطيسات الملبدة خارج الصين في الاتحاد الأوروبي (إستونيا) للسيارات الكهربائية، مع توقع بدء الإنتاج في عام 2025.

المصدر: Neo Materials

بشكل عام، تمتلك Neo Materials أكثر حضور متكامل في سلسلة قيمة المغناطيس الدائم والأرض النادرة خارج الصين، مع عدم دمج استخراج الخام في العملية رأسياً.

تمتلك الشركة أيضًا أكثر عدد من الدرجات المتقدمة في مجال الأرض النادرة وخبراء تقنيين عبر منتجات المغناطيسات الأرضية النادرة مقارنة بأي شركة أخرى خارج الصين أو اليابان. وحتى في اليابان، يمكنها التفوق على المنافسين المحليين لتوقيع عقود مع شركات مثل هوندا أو دايدو ستيل.

المصدر: Neo Materials

هذا الوجود القوي في المواد الحرجة للانتقال الأخضر، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات التقنية العالية من تصنيع أشباه الموصلات إلى السبائك الخاصة والمح catalysts، يجعل من Neo خيارًا جيدًا للمستثمرين الذين يبحثون عن تعرض لهذا القطاع، مع احتمال ارتفاع القيمة في حال تفاقم الحروب التجارية.

مرجع الدراسة:

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