Energi
Fremskridt inden for HVAC-løsninger med elektrokaloriske materialer
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
Den massive energiefterspørgsel fra HVAC
Modern industrielt samfund bruger meget energi. En anvendelse, vi ofte undervurderer, når det gælder energiforbrug, er køling og opvarmning. Den udgør mere end halvdelen af verdens samlede energiforbrug, foran elektricitet (20 %) og transport (30 %).
Så måske er det endda vigtigere end elbiler at elektrificere HVAC (opvarmning, ventilation og klimaanlæg) og gøre det mere effektivt for at reducere energiforbrug og CO₂‑udledning. Især fordi efterspørgslen efter kun køling forventes at tredoble inden 2050 på grund af økonomisk udvikling i varme lande med store befolkninger som f.eks. Indien og Indonesien.
Kilde: Daikin
Indtil nu har den foretrukne teknologi til at opnå høj‑effektiv HVAC været varmepumper, der bruger kompressionskøling.
En ny teknologi udfordrer nu status quo, baseret på et fysisk princip kaldet “elektrokalorisk køling”.
Hvordan varmepumper fungerer
Alle varmepumper, fra kompressions‑varmepumper til fremtidige elektrokaloriske varmepumper, fungerer på et grundlæggende princip: at flytte varme i stedet for at generere den.
Dette er et meget anderledes princip end fossile‑brændstof‑baserede og andre elektriske opvarmningssystemer, hvor enten elektricitet eller gas/kul/olie forbruges til at producere varme.
En varmepumpe tager i stedet varme fra den ene side af en væg og overfører den til den anden side. Om vinteren absorberer den varme udefra og sender den ind i bygningen. Om sommeren vender den processen om for at køle bygningen ned og fungerer som klimaanlæg.
At flytte varme er meget mere effektivt end at generere den. Dette gør det muligt for en kompressionsbaseret varmepumpe at producere 2‑4 W varme/køling for hver W strøm, den bruger.
Kilde: RMI
Varme bevæger sig ind og ud af miljøet, med de to hovedmuligheder at bruge udeluften eller den omkringliggende jord gennem underjordiske rør.
Varmepumper bruges oftest til at opvarme og køle bygninger som kontorer, kommercielle rum og boliger. De kan dog også anvendes i industrielle sammenhænge, hvor energikilder fra én industriel proces genbruges i en anden, hvilket også her kan føre til massive energibesparelser.
Kilde: Sintef
Elektrokaloriske varmepumper for at gå ud over kompression
Fremskridt inden for elektrokalorisk teknologi
Traditionelle varmepumper bruger den termiske effekt af kompression og dekompression til at flytte varmen fra ét punkt til et andet. Dette kræver kølemidler som hydrofluorcarboner eller ammoniak, som har enten direkte eller indirekte drivhusgas‑effekter på klimaet.
Det elektrokaloriske princip er anderledes. Et elektrokalorisk system varmes, når det udsættes for elektriske felter, da det får atomerne til at justere sig i én retning, hvilket reducerer entropi. Det omvendte sker, og der opstår køling, når de elektriske felter slukkes.
Kilde: Fraunhofer IPM
Elektrokaloriske effekter har været kendt siden 1960’erne, men dengang var den største temperaturforskel, der kunne opnås, kun 2,5 °C.
Nogle fremskridt blev gjort i 2006, da en tynd film af bly‑titan‑oxygen‑zirkonium opnåede 12 °C kølekapacitet.
Dog viser det seneste gennembrud på næsten 21 °C temperaturændring, opnået af forskere ved Luxembourg Institute of Science and Technology i Belvaux, at teknologien bliver kraftig nok til kommercielle anvendelser.
Elektrokalorisk prototype
Teamet brugte en polymer og bly‑scandium‑tantal‑oxygen (PST) multi‑lag kondensatorer (MLC).
Kilde: UPCommons
De luxembourgske forskere har skabt en prototype, der opnåede maksimal køling ved under 10 V per mikrometer strøm, hvilket skabte en maksimal køling på 4,2 W.
Kilde: Techspot
Dette er en radikal forbedring i forhold til alle tidligere udviklede metoder, med temperaturspænd og køleeffekt, henholdsvis, 50 % og 15 gange større end de tidligere bedste elektrokaloriske enheder.
Dette placerer prototypen langt foran alle tidligere testede elektrokaloriske koncepter.
Kilde: UPCommons
Kilde: UPCommons
Materialet blev også testet for gentagne opvarmnings‑ og kølecyklusser og har ikke vist tegn på nedbrydning.
En af de mange fordele ved elektrokaloriske systemer er, at den direkte brug af elektricitet gør EC‑kølere kompakte i volumen og velegnede til miniaturisering. Så udover fremtidige varmepumper, kan det også anvendes i små elektronik‑ og batterisystemer.
Det har også en meget høj effektivitet, potentielt meget højere end hvad kompressions‑varmepumpesystemet kan opnå.
Yderligere forbedring
Forskningen offentliggjort i tidsskriftet Science beskriver en prototype. Nogle yderligere forbedringer diskuteres også.
For eksempel bruger den nuværende prototype dielektrisk væske i stedet for vand for at forhindre kortslutninger. Denne dielektriske væske har dog dårlige termiske egenskaber sammenlignet med vand.
Derfor kunne udvikling af vandtætte multi‑lag kondensatorer (MLC) betydeligt forbedre systemets hastighed og kølekapacitet.
Øgning af antallet og tætheden af MLC‑er kunne også give mere kølepotentiale.
Endelig ville tyndere og fladere elektrokaloriske moduler hjælpe, og det er ikke klart, om anvendelse af højere elektriske felter er muligt og sikkert.
Avancerede varmepumpevirksomheder
Der er i øjeblikket ingen virksomhed, der kommercialiserer elektrokaloriske varmepumper eller kølesystemer. Det er stadig et akademisk og anvendt fysik‑felt.
Det er dog sandsynligt, at nu hvor teknologien udvikler sig til et effektivitetstrin, der gør kommercialisering levedygtig, vil disse forskningsinstitutter søge at tjene penge på deres patenter.
Derfor kan det være interessant at kigge på lederne i varmepumpeindustrien, som kunne drage fordel af at licensere IP‑rettighederne til elektrokaloriske enheder.
Det er også sandsynligt, at oprettelsen af kommercielle elektrokaloriske systemer og deres distribution til slutbrugere vil være en meget kapitalintensiv proces, hvilket favoriserer de største aktører i branchen.
1. Carrier Global
CARR Prisdiagram
Carrier er en leder inden for HVAC (kommerciel og bolig), kølekæde og brand & sikkerhed, med over 58.000 ansatte. Selvom de ikke kun sælger varmepumper, er dette produktkategori virksomhedens fokus og ser det som fremtiden for branchen.
De er primært fokuseret på Amerika, hvor HVAC udgør mere end halvdelen af deres salg.
Kilde: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]
De har en installeret base på over 330.000 kommercielle HVAC‑enheder, 33 millioner bolig‑HVAC, 1,8 millioner køleudstyr og over 90 millioner brand‑ og sikkerhedssystemer.
Virksomheden har besluttet at reducere sine drivhusgas‑emissioner (GHG) drastisk inden 2030.
Da en stor del af disse emissioner stammer fra ammoniak‑kølemidler, giver muligheden for at skifte til et elektrokalorisk system i fremtiden branchen en vej frem, hvor de eneste emissioner er relateret til energiforbrug og metaludvinding, som vil blive drevet af vedvarende energi.
Kilde: Carrier Global
2. Daikin Industry
Den japanske virksomhed, grundlagt i 1924, kan påstå at være verdens nummer 1 inden for air‑conditioning.
Virksomheden har været aktiv inden for varmepumpeområdet siden 2006 og etablerede allerede i 2008 et forretningspartnerskab med Gree Electric Appliance, Kinas førende air‑conditioning producent.
Den sælger primært i Amerika, Europa og Østasien, men har oplevet eksplosiv vækst i markeder som Indien, med en 23‑gange stigning i salget mellem 2009 og 2022.
Kilde: Daikin
En af Daikins konkurrencemæssige styrker er deres R32‑kølemiddel, som har en langt lavere påvirkning af den globale opvarmning end konkurrenternes.
Dette betyder, at fremkomsten af elektrokaloriske systemer på kort sigt kan udgøre en trussel mod virksomhedens konkurrencedygtige position.
Kilde: Daikin
Men samtidig afspejler det virksomhedens allerede eksisterende fokus på miljøpåvirkningen af kølesystemer og innovationskapacitet (de investerede $300 M i et nyt R&D‑center i 2015) og gør dem til en god kandidat til at udvikle disse systemer i kommerciel skala.
En stærk indikation på Daikins dedikation til miljøvenlig innovation er den verdensomspændende gratis adgang til grundlæggende patenter for R32 siden 2015 og gratis adgang i 2019 til alle koncernens patenter siden 2011.
3. NIBE Group
Investorer, der er interesserede i udsigterne for varmepumper og elektrokaloriske systemer, kan ønske en virksomhed, der er fuldt dedikeret til sektoren, uden de forstyrrelser og risici, der er forbundet med andre teknologier.
I så fald kan de være interesserede i Nibe, en europæisk producent af varmepumper samt træovne (en anden CO₂‑neutral varmekilde).
Virksomheden stammer oprindeligt fra Sverige og foretager stadig en stor del af sit salg i de nordiske lande samt i resten af Europa. Den havde 21.333 ansatte i 2022.
Kilde: Nibe
Virksomhedens varmepumper har undgået emissionerne på 360.000 ton CO₂ på blot ét år.
Som en mere fokuseret virksomhed er Nibe lige så stor som Daikin eller Carrier, når det kun gælder varmepumper.
Med forskning i elektrokaloriske materialer i lande som Luxembourg og Tyskland kan dette bane vejen for europæiske virksomheder som Nibe til at etablere privilegerede relationer med forskere og være blandt de første til at udvide deres tilbud ud over kompressionsbaserede varmepumper.
