Weiterentwicklung von HVAC-Lösungen mit elektrokalorischen Materialien

Der enorme Energiebedarf von HLK-Anlagen

Die moderne Industriegesellschaft verbraucht viel Energie. Eine Anwendung, die wir im Hinblick auf den Energieverbrauch oft unterschätzen, ist das Kühlen und Heizen. Es macht mehr als die Hälfte des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs aus, vor Elektrizität (20 %) und Verkehr (30 %)..

Vielleicht sogar noch mehr als bei Elektrofahrzeugen ist die Elektrifizierung und Effizienzsteigerung von HVAC (Heizung, Lüftung und Klimaanlage) von entscheidender Bedeutung für die Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2050-Emissionen. Zumal sich der Bedarf an reiner Kühlung aufgrund der wirtschaftlichen Entwicklung in bevölkerungsreichen Warmwetterländern wie beispielsweise Indien und Indonesien voraussichtlich bis XNUMX verdreifachen wird.

Quelle: Daikin

Bisher waren Wärmepumpen mit Kompressionskühlung die bevorzugte Technologie zur Erzielung hocheffizienter HLK-Anlagen.

Nun kommt eine neue Technologie, die auf einem physikalischen Prinzip namens „elektrokalorische Kühlung“ basiert und den Status quo in Frage stellt.

Wie Wärmepumpen funktionieren

Alle WärmepumpenVon Kompressionswärmepumpen bis hin zu zukünftigen elektrokalorischen Wärmepumpen funktionieren sie nach einem Grundprinzip: Wärme bewegen, statt sie zu erzeugen.

Dies ist ein ganz anderes Prinzip als auf fossilen Brennstoffen basierende und andere elektrische Heizsysteme, bei denen entweder Strom oder Gas/Kohle/Öl zur Wärmeerzeugung verbraucht wird.

Eine Wärmepumpe hingegen entnimmt Wärme von einer Seite einer Wand und überträgt sie auf die andere Seite. Im Winter nimmt es Wärme von außen auf und leitet sie ins Gebäude. Im Sommer kehrt es diesen Prozess um, um das Gebäude abzukühlen, und funktioniert wie eine Klimaanlage.

Wärme zu transportieren ist viel effizienter als sie zu erzeugen. Dadurch kann eine kompressionsbasierte Wärmepumpe pro Watt verbrauchter Leistung 2–4 W Wärme/Kälte erzeugen.

Quelle: RMI

Die Wärme bewegt sich in die Umgebung hinein und aus ihr heraus, wobei die beiden Hauptoptionen darin bestehen, Außenluft oder den umgebenden Boden über unterirdische Rohrleitungen zu nutzen.

Wärmepumpen werden am häufigsten zum Heizen und Kühlen von Gebäuden wie Büros, Gewerbeflächen und Wohnungen eingesetzt. Es kann jedoch auch in einem industriellen Umfeld eingesetzt werden, wobei Energiequellen aus einem Industrieprozess in einem anderen wiederverwendet werden, was auch hier zu massiven Energieeinsparungen führt.

Quelle: Sintef

Elektrokalorische Wärmepumpen, die über die Kompression hinausgehen

Fortschritte in der elektrokalorischen Technologie

Herkömmliche Wärmepumpen nutzen den thermischen Effekt der Kompression und Dekompression, um die Wärme von einem Punkt zum anderen zu transportieren. Hierzu sind Kältemittel wie Fluorkohlenwasserstoffe oder Ammoniak erforderlich, die entweder direkte oder indirekte Treibhauseffekte auf das Klima haben.

Das elektrokalorische Prinzip ist anders. Ein elektrokalorisches System erwärmt sich, wenn es elektrischen Feldern ausgesetzt wird, da es dazu führt, dass sich Atome in eine Richtung ausrichten, wodurch die Entropie verringert wird. Das Gegenteil geschieht und führt zu einer Abkühlung, wenn die elektrischen Felder aufhören.

Quelle: Fraunhofer-IPM

Elektrokalorische Effekte sind seit den 1960er-Jahren bekannt, allerdings betrug damals der stärkste erreichbare Temperaturunterschied nur 2.5°C.

Es wurden einige Fortschritte erzielt im Jahr 2006, als ein dünner Film aus Blei-Titan-Sauerstoff-Zirkonium eine Kühlkapazität von 12 °C erreichte.

Der jüngste Durchbruch der Temperaturänderung von fast 21 °C, der Forschern des Luxemburgisches Institut für Wissenschaft und Technologie in Belvaux, zeigt, dass die Technologie für kommerzielle Anwendungen leistungsfähig genug wird.

Elektrokalorischer Prototyp

Das Team verwendete ein Polymer und Blei-Scandium-Tantal-Sauerstoff (PST)-Mehrschichtkondensatoren (MLC).

Quelle: UPCommons

Die luxemburgischen Forscher haben einen Prototyp entwickelt, der bei weniger als 10 V pro Mikrometer Leistung eine maximale Kühlung erreicht, wodurch eine maximale Kühlung von 4.2 W entsteht.

Quelle: TechSpot

Dies ist eine radikale Verbesserung gegenüber allen zuvor entwickelten Methoden, da die Temperaturspanne und die Kühlleistung 50 % bzw. 15 Mal größer sind als bei den bisher besten elektrokalorischen Geräten.

Damit sind die Prototypen allen bisher getesteten elektrokalorischen Konzepten um Längen voraus.

Quelle: UPCommons

Quelle: UPCommons

Das Material wurde auch auf wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungszyklen getestet und zeigte keine Anzeichen einer Verschlechterung.

Zu den vielen Vorteilen elektrokalorischer Systeme gehört, dass EC-Kühler durch die direkte Nutzung von Elektrizität ein kompaktes Volumen haben und sich für die Miniaturisierung eignen. Neben künftigen Wärmepumpen Es könnte auch in kleinen Elektronikgeräten und Batterien verwendet werden.

Außerdem verfügt es über einen sehr hohen Wirkungsgrad, der möglicherweise viel höher ist als der, den das Kompressionswärmepumpensystem erreichen kann.

Weitere Verbesserung

Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Forschung beschreibt einen Prototyp. Einige weitere Verbesserungen werden ebenfalls besprochen.

Beispielsweise verwendet der aktuelle Prototyp eine dielektrische Flüssigkeit anstelle von Wasser, um Kurzschlüsse zu verhindern. Allerdings weist diese dielektrische Flüssigkeit im Vergleich zu Wasser schlechte thermische Eigenschaften auf.

Daher könnte die Entwicklung wasserdichter Mehrschichtkondensatoren (MLC) die Geschwindigkeit und Kühlkapazität des Systems erheblich verbessern.

Eine Erhöhung der Anzahl und Dichte von MLCs könnte auch zu mehr Kühlpotenzial führen.

Schließlich würden dünnere und flachere elektrokalorische Module helfen, und es ist nicht klar, ob die Anwendung höherer elektrischer Felder möglich und sicher ist.

Fortschrittliche Wärmepumpenunternehmen

Derzeit gibt es kein Unternehmen, das elektrokalorische Wärmepumpen oder Kühlsysteme vermarktet. Es handelt sich immer noch um ein weitgehend akademisches und angewandtes Physikgebiet.

Es ist jedoch wahrscheinlich, dass diese Forschungsinstitute nun, da sich die Technologie auf einem Effizienzniveau weiterentwickelt, das eine Kommerzialisierung möglich macht, versuchen werden, ihre Patente zu monetarisieren.

Daher könnte es interessant sein, einen Blick auf die führenden Unternehmen der Wärmepumpenbranche zu werfen, die von der Lizenzierung des geistigen Eigentums für elektrokalorische Geräte profitieren könnten.

Es ist auch wahrscheinlich, dass die Entwicklung kommerzieller elektrokalorischer Systeme und deren Vertrieb an Endverbraucher ein sehr kapitalintensiver Prozess sein wird, der den größten Akteuren der Branche zugute kommt.

1. Spediteur weltweit

Carrier ist führend in Heizungs- und Lüftungssystem (gewerblich und privat), kalte Ketteund Feuer & Sicherheit, mit mehr als 58,000 Mitarbeitern. Obwohl es nicht nur Wärmepumpen verkauft, ist es eine Produktkategorie, auf die sich das Unternehmen konzentriert und die es als die Zukunft der Branche betrachtet.

Der Schwerpunkt liegt vor allem auf dem amerikanischen Kontinent, wobei HVAC mehr als die Hälfte des Umsatzes erwirtschaftet.

Quelle: Carrier Global

Das Unternehmen verfügt über eine installierte Basis von über 330,000 kommerziellen HVAC-Geräten, 33 Millionen privaten HVAC-Geräten, 1.8 Millionen Kühlgeräten und über 90 Millionen Brand- und Sicherheitssystemen.

Das Unternehmen ist entschlossen, seine Treibhausgasemissionen (THG) bis 2030 drastisch zu reduzieren.

Wenn man bedenkt, dass viele dieser Emissionen aus Ammoniak-Kühlmitteln stammen, bietet die Möglichkeit, in Zukunft auf ein elektrokalorisches System umzusteigen, der Branche einen Weg nach vorne, bei dem ihre einzigen Emissionen mit dem Energieverbrauch und dem Metallabbau zusammenhängen, der mit erneuerbaren Energien betrieben wird.

Quelle: Carrier Global

2. Daikin-Industrie

Das 1924 gegründete japanische Unternehmen kann für sich in Anspruch nehmen, die weltweite Nummer 1 im Bereich Klimaanlagen zu sein.

Das Unternehmen ist seit 2006 im Wärmepumpenbereich tätig und hat bereits 2008 eine Geschäftsallianz mit geschlossen Gree Elektrogerät, Chinas führender Hersteller von Klimaanlagen.

Der Verkauf erfolgt hauptsächlich in Amerika, Europa und Ostasien, verzeichnete aber auch in Märkten wie Indien ein explosionsartiges Wachstum mit einem 23-fachen Umsatzanstieg zwischen 2009 und 2022.

Quelle: Daikin

Eine der Wettbewerbsstärken von Daikin ist das Kühlmittel R32, das einen wesentlich geringeren Einfluss auf die globale Erwärmung hat als die Konkurrenzprodukte.

Dies bedeutet, dass das Aufkommen elektrokalorischer Systeme kurzfristig eine Bedrohung für die Wettbewerbsposition des Unternehmens darstellen könnte.

Quelle: Daikin

Gleichzeitig spiegelt es aber auch den bereits bestehenden Fokus des Unternehmens auf die Umweltauswirkungen von Kühlsystemen und Innovationskapazitäten wider (Im Jahr 300 investierte das Unternehmen 2015 Millionen US-Dollar in ein neues Forschungs- und Entwicklungszentrum) und wäre ein guter Kandidat für die Entwicklung dieser Systeme im kommerziellen Maßstab.

Ein starkes Zeichen für Daikins Engagement für umweltfreundliche Innovationen ist der weltweite freie Zugang zu den Basispatenten für R32 seit 2015 und der freie Zugang im Jahr 2019 zu allen Patenten der Gruppe seit 2011.

3. NIBE-Gruppe

Anleger, die sich für die Aussicht auf Wärmepumpen und elektrokalorische Systeme interessieren, wünschen sich möglicherweise ein Unternehmen, das sich ausschließlich auf diesen Sektor konzentriert und nicht die Ablenkungen und Risiken hat, die mit anderen Technologien verbunden sind.

In diesem Fall könnten sie an Nibe interessiert sein, einem europäischen Hersteller von Wärmepumpen, sowie Holzöfen (eine weitere CO2-neutrale Wärmequelle).

Das Unternehmen stammt ursprünglich aus Schweden und tätigt immer noch einen großen Teil seines Umsatzes in nordischen Ländern sowie in Europa. Im Jahr 21,333 waren 2022 Mitarbeiter beschäftigt.

Quelle: Nibe

Die Wärmepumpen des Unternehmens haben in nur einem Jahr den Ausstoß von 360,000 Tonnen CO2 vermieden.

Als stärker fokussiertes Unternehmen ist Nibe allein bei Wärmepumpen so groß wie Daikin oder Carrier.

Da die Forschung zu elektrokalorischen Materialien in Ländern wie Luxemburg und Deutschland voranschreitet, könnte dies europäischen Unternehmen wie Nibe den Weg ebnen, privilegierte Beziehungen zu Forschern aufzubauen und zu den ersten zu gehören, die ihr Angebot über kompressionsbasierte Wärmepumpen hinaus erweitern.