Nye varmepumpedesigns eliminerer kølemidler til fordel for magneter

Forbedring af varmegenerering

Blandt alle mulige energibehov er varme den største endelige anvendelse (inklusive for eksempel elektricitet omdannet til varme). Derfor giver det mening, at dekarbonisering kun vil ske, hvis varmegenerering udføres på den grønneste mulige måde og meget effektivt.

Dette er langt fra opnået, da fossile brændstoffer udgør 63: % af den globale energianvendelse til opvarmning af bygninger, kun et fald på fire procentpoint siden 2010.

Kilde: IEA

Dette er en væsentlig hindring for ethvert netto-nul scenario og kræver mindst lige så meget indsats som at skifte individuelle transportmidler til elbiler.

Indtil videre har den primære metode været at gå over til varmepumper, som i stedet for at brænde noget for at producere varme, flytter den fra ét punkt til et andet.

Selvom de er mere effektive, kan varmepumper stadig forbedres. Det er, hvad forskere ved Ames National (ATLO ) Laboratory (USA) og Iowa State University arbejder på, med en ny type varmepumpe kaldet “magnetokalorisk varmepumpe”.

De offentliggjorde for nylig deres seneste resultater i tidsskriftet Applied Energy under titlen “Skalerbar og kompakt magnetokalorisk varmepumpeteknologi¹”.

Hvordan fungerer traditionelle varmepumper?

Det grundlæggende koncept for en varmepumpe er at “gribe” energi ét sted og transportere den til et andet.

Typisk vil den udtrække varme fra omgivelserne omkring et hus eller andre bygninger og injicere den tilbage indendørs.

Da der faktisk ikke genereres varme, kun flyttes rundt, kan den vise effektivitetssatser over 100: % når den måles i Watt-timer (Wh) af forbrugt elektricitet.

Dette system er også mere alsidigt end et traditionelt varmesystem, da det også kan fungere i omvendt retning. Så i de fleste tilfælde kan det også fungere som køling i sommermånederne.

Kilde: The Heat Pump Warehouse

Den typiske varmepumpe bruger et system med gaskompression til at flytte varmen, da gasser absorberer eller frigiver varme, når de komprimeres/dekomprimeres.

Gaskompression er den mest anvendte metode, fordi det er en meget velkendt teknologi, der bygger på ventiler, rør og kompressorer, som ikke er så forskellige fra dem, der blev brugt for årtier siden.

Dette er dog måske ikke den bedst mulige varmepumpedesign, da magneter bliver en stærk konkurrent.

Typer af varmepumper

Forskellige varmepumpedesigns adskiller sig på flere måder, herunder hvor de udtrækker energien, hvor de sender den, og om de er tilpasset kolde klimaer eller ej.

Energikilder

• Jordvarme: Også kendt som geotermiske varmepumper, udnytter de varme fra jorden og er kendt for deres høje effektivitet.
• Luftkilde: Den mest almindelige type, de udtrækker varme fra luften og er lettere at installere end jordvarmepumper.
• Vandkilde: Disse bruger nærliggende vandkilder som søer eller brønde til varmeudveksling.

Installation

• Kanaliseret: Integreret i et hjems kanalsystem, giver de centraliseret opvarmning og køling.
• Mini-split: Ideel til hjem uden kanaler, giver de individuel kontrol over rumtemperaturer.

Klima

• Koldt klima: Specifikt designet til regioner med hårde vintre, opretholder disse varmepumper effektiviteten selv ved ekstremt kolde temperaturer takket være avancerede funktioner som variabelhastighedskompressorer.
• Normalt klima: Ideel til moderate klimaer, disse er standard varmepumper egnet til typiske opvarmnings- og kølebehov.

Varmeoverførselsmetode

• Gaskompression: Fungerer rimeligt godt, med simpel, kendt teknologi.
• Magneter: Et underområde af den større “solid-state” kaloriske varmepumpe, som ikke kræver kølemiddel.

Magnetokalorisk varmepumpe (MCHP) teknologi

MCHP bruger principperne for magnetokaloriske effekter, dvs. køling eller opvarmning af magnetiske materialer ved variation af et eksternt påført magnetfelt.

Kilde: DST

I teorien kan dette være et meget bedre system, da det fjerner behovet for kølemiddelmateriel, som generelt er giftigt og/eller miljøskadeligt, og som ofte lækker fra traditionelle varmepumper, især når udstyret bliver ældre.

Over årene er mange forskellige designs for magnetokaloriske varmepumper blevet foreslået ved brug af forskellige opsætninger:

• Forskellige magnetfelters styrke.
• Forskellige magnetokaloriske materialer, såsom ren gadolinium, gadoliniumlegeringer og LaFeSi-legeringer (lanthan-jern-silicon).
• Forskellige former for det magnetokaloriske materiale.

Disse systemer har demonstreret en effektivitet højere end de bedste dampkompressionssystemer. Deres temperaturspænd og termiske effekt var også en god match.

Det var dog endnu ikke påvist, at disse systemer kunne matche traditionelle varmepumper med hensyn til omkostninger, masse og størrelse, alle vigtige overvejelser for potentiel kommerciel succes.

Variabel ydeevne

Forskerne målte systemets effekt tæthed (SPD) for forskellige foreslåede MCHP-designs, dvs. den termiske effekt i watt divideret med enhedens masse i kg.

Den eksisterende videnskabelige litteratur viser en bred variation af SPD, fra ca. 1 til 40 W/kg.

Interessant nok havde to af de designs med den højeste SPD helt forskellige tilgange: den ene brugte høje magnetfelter ved høje frekvenser, og den anden brugte lave felter ved lave frekvenser. Så der er sandsynligvis flere tilgange, som hver for sig er teknisk levedygtige.

Konkurrence med kompressorer

Forskerne har undersøgt flere måder at øge SPD på, et forskningsområde, der indtil nu har været overset, med absolut effektivitet og mere i fokus for materialvidenskabsforskere.

Det er dog SPD, der sandsynligvis vil være den vigtigste faktor for masseadoption af sådanne varmepumper, da ingen slutbrugere, hverken forbrugere eller byggefirmaer, vil acceptere varmepumper i størrelsen af et helt rum eller for tunge til nem håndtering.

De brugte en række metoder:

• Variation af den anvendte magnetiske legering:
  • Effekten per masse var 374 W/kg for ren gadolinium.
  • Den var 854 W/kg for materialer baseret på LaFeSi.
• Forskellige designs af det magnetiske materiale, fra plader til perler.
• Forskellige magnetiske impulser, varierende i frekvens og intensitet.

Gennem denne systematiske test fandt forskerne, at fra en teknisk basis på 5,9 W/kg kan MCHP-systemer boostes op til 81,3 W/kg, svarende til en næsten 14‑fold stigning i systemets effekt tæthed.

Ud fra disse fund ser det ud til, at MCHP’er næsten kan matche SPD for nogle af de nuværende kompressorbaserede varmepumper, især for lav eller moderat køleeffekt (< 200 W).

Magnetokaloriske varmepumpevirksomheder

Den næste ser ikke ud til at være et børsnoteret selskab endnu, der sælger MCHP. Det er dog et meget aktivt felt med mange startups, ofte spin‑offs fra banebrydende forskning udført på topuniversiteter. For eksempel:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, er et datterselskab af den tyske HYDAC Group(også privat ejet).
• Camfridge

Så selvom det ikke er særlig let at få adgang til, kan det være en interessant idé for personer, der er akkrediterede investorer og har adgang til sådanne investeringer.

Gadoliniumvirksomhed

Gadolinium er et sjældent jordmetal, og 97 % af den globale produktion (gadoliniumdioxid) produceres af Kina.

Interessant nok har metallet i øjeblikket kun få anvendelser udover nichebrug som neutronabsorption i nogle atomreaktorer eller magnetiske kontrastmidler til MR, og ville derfor være en perfekt ressource at udnytte i stedet for forurenende kølemidler, der i øjeblikket bruges i varmepumper.

Da handelskonflikterne mellem USA & Kina løbende er steget siden den første Trump‑præsidentskab, er det sandsynligt, at vestlige investorer, der er villige til at satse på sjældne jordarter, herunder gadolinium, vil foretrække alternative kilder.

En sådan potentiel virksomhed er Neo Materials.

Neo Materials specialiserer sig i produktion af sjældne jordarter og kritiske materialer. Dette inkluderer gadolinium, men også andre kritiske sjældne jordarter og materialer, såsom hafnium, niobium, gallium og sjældne jordmagneter.

Kilde: Neo Materials

Alle disse produkter er kritiske for fremstilling af halvledere, magneter til vindmøller, elbiler osv. Og i de fleste tilfælde leveres de 90‑99 % af Kina.

Virksomheden får størstedelen af sine indtægter fra “Magnequench”: neodym-jern-bor (NdFeB) magnetpulvere og magneter, der anvendes i elektriske motorer (inklusive elbiler).

Den næststørste indtægt kommer fra kemikalier & oxider, der bruges i petroleum og kemiske katalysatorer, hybrid- og elbiler, vandrensning, højtydende displays, optiske linser, forbrugerelektronik osv.

Kilde: Neo Materials

Neos indtægter er også meget geografisk diversificerede, hvilket gør dem sikrere mod geopolitiske storme end de fleste virksomheder i denne sektor. Det fremstiller nogle produkter i Kina og har endda gjort AsiaMag, en opkøb fra 2019, til en af de fem største producenter af bonded-magneter i Kina ved at øge salgsvolumen femfold.

Men det diversificerer også sin geografiske risiko. For eksempel vil virksomheden bygge i EU (Estland) den første uden for Kina sintringsmagnetfabrik til elbiler, med den første produktion forventet i 2025.

Kilde: Neo Materials

Samlet set har Neo Materials den mest integrerede tilstedeværelse i værdikæden for permanente magneter og sjældne jordarter uden for Kina, med kun minedrift af råmalmen som ikke er vertikalt integreret.

Virksomheden har også flere avancerede grader og tekniske eksperter inden for sjældne jordmagnetprodukter end nogen anden virksomhed uden for Kina eller Japan. Og selv i Japan kan den overgå lokale konkurrenter ved at indgå kontrakter med virksomheder som Honda eller Daido Steel.

Kilde: Neo Materials

Denne stærke tilstedeværelse i materialer, der er kritiske for den grønne omstilling, samt mange højteknologiske anvendelser fra fremstilling af halvledere til speciallegeringer og katalysatorer, gør Neo til et godt aktievalg for investorer, der søger eksponering mod sektoren, med et potentielt opsving i tilfælde af forværrede handelskrige.

Studierreference:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). En omfattende gennemgang af maskinlæringsapplikationer i vedvarende energisystemer. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}