Energie
Fortschrittliche HLK-Lösungen mit elektrocalorischen Materialien
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Der massive Energiebedarf von HLK
Modern industrial society uses a lot of energy. One application we tend to underestimate when it comes to energy usage is cooling and heating. Es macht mehr als die Hälfte des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs aus, vor Strom (20 %) und Verkehr (30 %)..
Daher ist die Elektrifizierung von HLK (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) und deren Effizienzsteigerung möglicherweise noch wichtiger als bei Elektroautos, um den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen zu reduzieren. Besonders da die Nachfrage nach Kühlung bis 2050 voraussichtlich sich verdreifacht, bedingt durch die wirtschaftliche Entwicklung in warmen Ländern mit großen Bevölkerungen wie zum Beispiel Indien und Indonesien.
Quelle: Daikin
Bis jetzt war die bevorzugte Technologie zur Erreichung hocheffizienter HLK-Wärmepumpen die Kompressionskühlung.
A new technology is now coming to challenge the status quo, based on a physical principle called “electrocaloric cooling”.
Wie Wärmepumpen funktionieren
All Wärmepumpen, from compression heat pumps to future electrocaloric heat pumps, function on a basic principle: moving heat instead of generating it.
Dies ist ein völlig anderes Prinzip als bei fossilen Brennstoffen und anderen elektrischen Heizungssystemen, bei denen entweder Strom oder Gas/Kohle/Öl verbraucht wird, um Wärme zu erzeugen.
Eine Wärmepumpe hingegen entnimmt Wärme von einer Seite einer Wand und überträgt sie auf die andere Seite. Im Winter absorbiert sie Wärme von außen und leitet sie ins Gebäude. Im Sommer kehrt sie diesen Prozess um, um das Gebäude zu kühlen und funktioniert wie eine Klimaanlage.
Wärme zu bewegen ist weitaus effizienter als sie zu erzeugen. Das ermöglicht einer kompressionsbasierten Wärmepumpe, für jedes Watt an verbrauchter Leistung 2‑4 W Wärme/Kälte zu erzeugen.
Quelle: RMI
Die Wärme bewegt sich hinein und heraus aus der Umgebung, wobei die beiden Hauptoptionen die Nutzung von Außenluft oder dem umgebenden Boden durch unterirdische Rohrleitungen sind.
Wärmepumpen werden am häufigsten zum Heizen und Kühlen von Gebäuden wie Büros, Gewerbeflächen und Wohnhäusern eingesetzt. Sie können jedoch auch in industriellen Umgebungen verwendet werden, wobei Energiequellen eines industriellen Prozesses in einen anderen wiederverwendet werden, was hier ebenfalls zu enormen Energieeinsparungen führt.
Quelle: Sintef
Elektrocalorische Wärmepumpen, um über die Kompression hinauszugehen
Fortschritte in der elektrocalorischen Technologie
Traditional heat pumps use the thermal effect of compression & decompression to move the heat from one point to another. This requires refrigerant agents like hydrofluorocarbons or ammonia which have either direct or indirect greenhouse effects on the climate.
Das elektrocalorische Prinzip ist anders. Ein elektrocalorisches System erwärmt sich, wenn es elektrischen Feldern ausgesetzt wird, da diese die Atome in eine Richtung ausrichten und die Entropie verringern. Das Gegenteil geschieht, wenn die elektrischen Felder abgeschaltet werden, wodurch Kühlung entsteht.
Quelle: Fraunhofer IPM
Elektrocalorische Effekte sind seit den 1960er‑Jahren bekannt, damals konnte jedoch nur ein Temperaturunterschied von maximal 2,5 °C erreicht werden.
Einige Fortschritte wurden 2006 erzielt, als ein Dünnschichtfilm aus Blei‑Titan‑Sauerstoff‑Zirkonium eine Kühlkapazität von 12 °C erreichte.
However, the recent breakthrough of almost 21°C temperature change, achieved by researchers of the Luxembourg Institute of Science and Technology in Belvaux, shows that the technology is becoming powerful enough for commercial applications.
Elektrocalorischer Prototyp
The team used a polymer and lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).
Quelle: UPCommons
Die luxemburgischen Forscher haben einen Prototyp entwickelt, der bei unter 10 V pro Mikrometer Leistung maximale Kühlung von 4,2 W erreichte.
Quelle: Techspot
Dies ist eine radikale Verbesserung gegenüber allen zuvor entwickelten Methoden, wobei Temperaturspanne und Kühlleistung jeweils um 50 % bzw. das 15‑fache größer sind als bei den bisher besten elektrocalorischen Geräten.
Damit liegt der Prototyp deutlich vor allen bisher getesteten elektrocalorischen Konzepten.
Quelle: UPCommons
Quelle: UPCommons
Das Material wurde zudem bei wiederholten Heiz‑ und Kühlzyklen getestet und zeigte keinerlei Anzeichen von Degradation.
Zu den vielen Vorteilen elektrocalorischer Systeme gehört, dass die direkte Nutzung von Strom die EC‑Kühler kompakt im Volumen macht und für Miniaturisierung geeignet ist. Daher könnten sie neben zukünftigen Wärmepumpen auch in kleinen Elektronikgeräten und Batterien eingesetzt werden.
It also has very high efficiency, potentially much higher than the compression heat pump system can hope to achieve.
Weitere Verbesserungen
Die in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Forschung describes a prototype. Some further improvements are discussed as well.
Zum Beispiel verwendet der aktuelle Prototyp ein Dielektrikfluid anstelle von Wasser, um Kurzschlüsse zu verhindern. Dieses Dielektrikfluid weist jedoch im Vergleich zu Wasser schlechte thermische Eigenschaften auf.
Daher könnte die Entwicklung von wasserdichten Mehrschichtkondensatoren (MLC) die Geschwindigkeit und Kühlkapazität des Systems erheblich verbessern.
Eine Erhöhung der Anzahl und Dichte von MLCs könnte ebenfalls zu einem höheren Kühlpotenzial führen.
Schließlich würden dünnere und flachere elektrocalorische Module helfen, und es ist unklar, ob die Anwendung höherer elektrischer Felder möglich und sicher ist.
Fortschrittliche Wärmepumpenunternehmen
There is currently no company commercializing electrocaloric heat pumps or cooling systems. It is still very much an academic and applied physics field.
However, it is likely that now that the technology is evolving at a level of efficiency, making commercialization viable, these research institutes will look to monetize their patents.
So, it could be interesting to look at the leaders in the heat pump industry who could benefit from licensing the IP for electrocaloric devices.
It is also likely that the creation of commercial-grade electrocaloric systems and their distribution to end users will be a very capital-intensive process, favoring the largest actors in the industry.
1. Carrier Global
CARR Preisdiagramm
Carrier ist ein führendes Unternehmen im Bereich HLK (gewerblich und privat), Kühlketten und Feuer‑ und Sicherheitstechnik und beschäftigt über 58.000 Mitarbeitende. Obwohl es nicht ausschließlich Wärmepumpen verkauft, ist diese Produktkategorie der Schwerpunkt des Unternehmens und wird als Zukunft der Branche angesehen.
Der Fokus liegt hauptsächlich auf den Amerikas, wobei HLK mehr als die Hälfte des Umsatzes ausmacht.
Quelle: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]
Es verfügt über eine installierte Basis von über 330.000 gewerblichen HLK‑Systemen, 33 Millionen privaten HLK‑Systemen, 1,8 Millionen Kälteanlagen und über 90 Millionen Feuer‑ und Sicherheitssystemen.
Das Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, seine Treibhausgasemissionen (THG) bis 2030 drastisch zu reduzieren.
Da ein großer Teil dieser Emissionen von Ammoniak‑Kältemitteln stammt, bietet die Möglichkeit, künftig auf ein elektrocalorisches System umzusteigen, der Branche einen Weg nach vorn, bei dem die einzigen Emissionen mit dem Energieverbrauch und dem Metallbergbau verbunden sind, die durch erneuerbare Energien betrieben werden.
Quelle: Carrier Global
2. Daikin Industry
The Japanese company founded in 1924 can claim to be the world’s number 1 air conditioning company.
The company has been active in the heat pump space since 2006 and has established as early as 2008 a business alliance with Gree Electric Appliance, China’s top air-conditioning manufacturer.
It is mostly selling in the Americas, Europe, and East Asia, but has experienced explosive growth in markets like India as well, with a 23x increase in sales between 2009 and 2022.
Quelle: Daikin
Eine der Wettbewerbsvorteile von Daikin ist sein Kältemittel R32, das im Vergleich zu Konkurrenzprodukten eine deutlich geringere Auswirkung auf die globale Erwärmung hat.
Das bedeutet, dass das Aufkommen elektrocalorischer Systeme kurzfristig eine Bedrohung für die Wettbewerbsposition des Unternehmens darstellen könnte.
Quelle: Daikin
Aber gleichzeitig spiegelt es den bereits bestehenden Fokus des Unternehmens auf die Umweltauswirkungen von Kühlsystemen und Innovationskapazitäten (es investierte 300 Mio. $ in ein neues F&E‑Zentrum im Jahr 2015) und würde es zu einem guten Kandidaten für die Entwicklung dieser Systeme im kommerziellen Maßstab machen.
Ein starkes Zeichen für Daikins Engagement für umweltfreundliche Innovationen ist der weltweite freie Zugang zu grundlegenden Patenten für R32 seit 2015 und seit 2019 der freie Zugang zu allen Gruppenpatenten seit 2011.
3. NIBE Group
Investors interested in the prospect of heat pumps and electrocaloric systems might want a company fully dedicated to the sector, without the distractions and risks associated with other technologies.
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 einen großen Teil seines Verkaufs in den nordischen Ländern sowie in Europa. Im Jahr 2022 beschäftigte es 21.333 Mitarbeitende.
Quelle: Nibe
Die Wärmepumpen des Unternehmens haben die Emission von 360.000 Tonnen CO₂ in nur einem Jahr vermieden.
Als stärker fokussiertes Unternehmen ist Nibe bei reinen Wärmepumpen genauso groß wie Daikin oder Carrier.
Da die Forschung zu elektrocalorischen Materialien in Ländern wie Luxemburg und Deutschland bereits vorangeschritten ist, 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.
