Neue Wärmepumpen-Designs verzichten auf Kältemittel und setzen stattdessen auf Magnete

Verbesserung der Wärmeerzeugung

Unter allen möglichen Energiebedarfen ist Wärme die größte Endverbrauchsart (einschließlich beispielsweise Strom, der in Wärme umgewandelt wird). Daher ist es logisch, dass die Dekarbonisierung nur dann gelingt, wenn die Wärmeerzeugung auf möglichst umweltfreundliche und sehr effiziente Weise erfolgt.

Das ist noch lange nicht erreicht, da fossile Brennstoffe 63: % des weltweiten Energieverbrauchs für gebäudebezogene Heizung ausmachen – ein Rückgang von lediglich vier Prozentpunkten seit 2010.

Quelle: IEA

Dies stellt ein erhebliches Hindernis für jedes Netto-Null‑Szenario dar und erfordert mindestens ebenso viel Aufwand wie die Umstellung einzelner Verkehrsmittel auf Elektrofahrzeuge.

Bislang besteht die Hauptstrategie darin, auf Wärmepumpen zu setzen, die anstatt Brennstoffe zu verbrennen Wärme von einem Ort zum anderen transportieren.

Selbst wenn sie effizienter sind, können Wärmepumpen noch verbessert werden. Genau daran arbeiten Forschende des Ames National Laboratory (USA) und der Iowa State University, die eine neue Art von Wärmepumpe mit dem Namen „magnetokalorische Wärmepumpe“ entwickeln.

Sie haben kürzlich ihre neuesten Ergebnisse in der Zeitschrift Applied Energy veröffentlicht, unter dem Titel „Skalierbare und kompakte magnetokalorische Wärmepumpentechnologie¹“.

Wie funktionieren herkömmliche Wärmepumpen?

Das Grundprinzip einer Wärmepumpe besteht darin, Energie an einem Ort „einzufangen“ und zu einem anderen zu transportieren.

In der Regel entzieht sie einem Haus oder anderen Gebäuden Wärme aus der Umgebung und führt sie wieder nach innen.

Da tatsächlich keine Wärme erzeugt, sondern nur umverteilt wird, kann sie Effizienzwerte von über 100 % erreichen, gemessen in Wattstunden (Wh) des verbrauchten Stroms.

Dieses System ist zudem vielseitiger als ein herkömmliches Heizungssystem, da es auch umgekehrt arbeiten kann. In den meisten Fällen kann es also im Sommer gleichzeitig als Kühlung dienen.

Quelle: The Heat Pump Warehouse

Die typische Wärmepumpe nutzt ein System der Gaskompression, um die Wärme zu transportieren, da Gase beim Komprimieren bzw. Dekomprimieren Wärme aufnehmen oder abgeben.

Gaskompression ist die am häufigsten verwendete Methode, weil sie eine sehr bekannte Technologie ist, die auf Ventilen, Rohrleitungen und Kompressoren basiert, die sich kaum von denen unterscheiden, die vor Jahrzehnten verwendet wurden.

Dies könnte jedoch nicht das bestmögliche Wärmepumpen-Design sein, da Magnete ein starker Konkurrent werden.

Arten von Wärmepumpen

Verschiedene Wärmepumpen-Designs unterscheiden sich in mehreren Aspekten, einschließlich wo sie die Energie entnehmen, wohin sie sie leiten und ob sie für kalte Klimazonen geeignet sind oder nicht.

Energiequellen

• Erdwärmequelle: Auch als Erdwärmepumpen bekannt, nutzen sie Wärme aus dem Boden und sind für ihre hohe Effizienz bekannt.
• Luftquelle: Der häufigste Typ, der Wärme aus der Luft entnimmt und einfacher zu installieren ist als erdgebundene Pumpen.
• Wasserquelle: Diese nutzen nahegelegene Wasserquellen wie Seen oder Brunnen zum Wärmeaustausch.

Installation

• Kanalisierte: In das Lüftungssystem eines Hauses integriert, bieten sie zentrale Heizung und Kühlung.
• Mini‑Split: Ideal für Häuser ohne Kanäle, ermöglichen sie individuelle Kontrolle der Raumtemperaturen.

Klima

• Kaltklima: Speziell für Regionen mit harten Wintern entwickelt, behalten diese Wärmepumpen ihre Effizienz selbst bei extrem niedrigen Temperaturen dank fortschrittlicher Funktionen wie variablen Drehzahlkompressoren.
• Mildes Klima: Ideal für gemäßigte Klimazonen, dies sind Standard‑Wärmepumpen für typische Heiz‑ und Kühlbedürfnisse.

Wärmeübertragungsmethode

• Gascompression: Funktioniert einigermaßen gut, mit einfacher, bekannter Technologie.
• Magneten: Ein Teil der größeren „solid-state“ kalorischen Wärmepumpe, die kein Kühlmittel benötigt.

Magnetokalorische Wärmepumpe (MCHP) Technologie

MCHP nutzt die Prinzipien des magnetokalorischen Effekts, also die Kühlung oder Erwärmung magnetischer Materialien durch Variation eines extern angelegten Magnetfeldes.

Quelle: DST

Theoretisch kann dies ein deutlich besseres System sein, da es die Notwendigkeit von Kältemittelmaterialien eliminiert, die im Allgemeinen toxisch und/oder umweltschädlich sind und bei herkömmlichen Wärmepumpen häufig auslaufen, insbesondere wenn die Geräte älter werden.

Im Laufe der Jahre wurden zahlreiche verschiedene Designs für magnetokalorische Wärmepumpen mit unterschiedlichen Aufbauten vorgeschlagen:

• Unterschiedliche Magnetfeldstärken.
• Verschiedene magnetokalorische Materialien, wie reines Gadolinium, Gadoliniumlegierungen und LaFeSi‑Legierungen (Lanthan‑Eisen‑Silizium).
• Unterschiedliche Formen des magnetokalorischen Materials.

Diese Systeme haben eine Effizienz gezeigt, die höher ist als die der besten Dampfkompressionssysteme. Ihr Temperaturbereich und ihre thermische Leistung passten ebenfalls gut.

Allerdings war bislang noch nicht nachgewiesen, dass diese Systeme traditionelle Wärmepumpen in Bezug auf Kosten, Masse und Größe erreichen können, was alles wichtige Faktoren für einen potenziellen kommerziellen Erfolg sind.

Variable Leistung

Die Forschenden maßen die Systemleistungsdichte (SPD) verschiedener vorgeschlagener MCHP-Designs, also die thermische Leistung in Watt geteilt durch die Gerätemasse in kg.

Die vorhandene Fachliteratur zeigt eine große Bandbreite an SPD, die von etwa 1 bis 40 W/kg reicht.

Interessanterweise hatten zwei der Designs mit der höchsten SPD völlig unterschiedliche Ansätze: eines nutzte hohe Magnetfelder bei hohen Frequenzen, das andere niedrige Felder bei niedrigen Frequenzen. Es gibt also wahrscheinlich mehrere Ansätze, die jeweils technisch machbar sind.

Konkurrenz zu Kompressoren

Die Forschenden haben mehrere Wege untersucht, um die SPD zu steigern, ein Forschungsfeld, das bisher vernachlässigt wurde, wobei absolute Effizienz und mehr im Fokus der Materialwissenschaftler stehen.

Allerdings wird wahrscheinlich die SPD am wichtigsten für die Massenadoption solcher Wärmepumpen sein, da weder Verbraucher noch Bauherren Wärmepumpen akzeptieren, die die Größe eines ganzen Raumes haben oder zu schwer zum einfachen Handling sind.

Sie nutzten eine Vielzahl von Methoden:

• Variation des verwendeten magnetischen Legierungsmaterials:
  • Die Leistung pro Masse betrug 374 W/kg für reines Gadolinium.
  • Sie betrug 854 W/kg für ausschließlich auf LaFeSi basierende Materialien.
• Verschiedene Designs des magnetischen Materials, von Platten bis zu Perlen.
• Verschiedene magnetische Impulse, variierend in Frequenz und Intensität.

Durch diese systematische Prüfung stellten die Forschenden fest, dass MCHP‑Systeme von einer technischen Basis von 5,9 W/kg bis zu 81,3 W/kg gesteigert werden können, also fast das 14‑fache der Systemleistungsdichte.

Aus diesen Erkenntnissen scheint, dass MCHPs die SPD einiger derzeit eingesetzter kompressorbasierter Wärmepumpen fast erreichen können, insbesondere bei niedrigen oder mittleren Kühlleistungen (< 200 W).

Magnetokalorische Wärmepumpen-Unternehmen

Das nächste scheint noch kein börsennotiertes Unternehmen zu sein, das derzeit MCHP verkauft. Es ist jedoch ein sehr aktives Feld mit vielen Start‑ups, oft Ausgründungen aus Spitzenforschung an führenden Universitäten. Zum Beispiel:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, ist eine Tochtergesellschaft der deutschen HYDAC Group (auch privat gehalten).
• Camfridge

Daher ist es zwar nicht leicht zugänglich, kann aber für akkreditierte Investoren, die Zugang zu solchen Investitionen haben, eine interessante Möglichkeit sein.

Gadolinium‑Unternehmen

Gadolinium ist ein Seltenerdmetall, und 97 % der weltweiten Produktion (Gadoliniumdioxid) wird von China hergestellt.

Interessanterweise hat das Metall derzeit kaum Anwendung außer Nischen wie Neutronenabsorption in einigen Kernreaktoren oder magnetischen Kontrastmitteln für die MRT und wäre daher ein perfekter Rohstoff, um ihn anstelle des umweltschädlichen Kältemittels, das derzeit in Wärmepumpen verwendet wird, zu nutzen.

Da die Handelskonflikte zwischen den USA & China seit der ersten Trump‑Präsidentschaft kontinuierlich zugenommen haben, ist es wahrscheinlich, dass westliche Investoren, die bereit sind, auf Seltene Erden, einschließlich Gadolinium, zu setzen, alternative Quellen bevorzugen werden.

Ein potenzielles Unternehmen ist Neo Materials.

Neo Materials ist auf die Produktion von Seltenen Erden und kritischen Materialien spezialisiert. Dazu gehören Gadolinium, aber auch derzeit kritische andere Seltene Erden und Materialien wie Hafnium, Niobium, Gallium und Seltene‑Erden‑Magneten.

Quelle: Neo Materials

All diese Produkte sind entscheidend für die Herstellung von Halbleitern, Magneten für Windturbinen, Elektrofahrzeugen usw. Und in den meisten Fällen werden sie zu 90‑99 % von China geliefert.

Das Unternehmen erzielt den größten Teil seiner Einnahmen aus „Magnequench“: neodym- eisen‑bor (NdFeB) Magnetpulvern und Magneten, die in Elektromotoren (einschließlich EVs) verwendet werden.

Der zweitgrößte Umsatz stammt aus Chemikalien & Oxiden, die in Erdöl- und Chemiekatalysatoren, Hybrid‑ und Elektrofahrzeugen, Wasseraufbereitung, hocheffizienten Displays, optischen Linsen, Unterhaltungselektronik usw. verwendet werden.

Quelle: Neo Materials

Die Einnahmen von Neo sind zudem geografisch stark diversifiziert, was das Unternehmen gegenüber geopolitischen Turbulenzen sicherer macht als die meisten Unternehmen in diesem Sektor. Es produziert einige Produkte in China und hat sogar AsiaMag, eine 2019er Akquisition, zu einem der fünf größten Hersteller von Verbundmagneten in China gemacht, indem es das Verkaufsvolumen um das Fünffache gesteigert hat.

Doch diversifiziert es auch sein geografisches Risiko. Beispielsweise wird das Unternehmen in der EU (Estland) die erste außerhalb Chinas sinterte Magnetanlage für Elektrofahrzeuge bauen, wobei die erste Produktion für 2025 geplant ist.

Quelle: Neo Materials

Insgesamt hat Neo Materials die integrierte Präsenz in der Wertschöpfungskette für Permanentmagneten und Seltene Erden außerhalb Chinas am stärksten, wobei nur der Abbau des Rohmaterials nicht vertikal integriert ist.

Das Unternehmen verfügt zudem über mehr fortgeschrittene Abschlüsse und technische Experten im Bereich Seltene‑Erden‑Magnetprodukte als jedes andere Unternehmen außerhalb Chinas oder Japans. Und selbst in Japan kann es lokale Konkurrenten übertreffen und Verträge mit Unternehmen wie Honda oder Daido Steel abschließen.

Quelle: Neo Materials

Diese starke Präsenz in Materialien, die für die grüne Transformation entscheidend sind, sowie zahlreiche High‑Tech‑Anwendungen von der Halbleiterfertigung bis zu Speziallegierungen und Katalysatoren, macht Neo zu einer guten Aktienwahl für Investoren, die eine Exposure gegenüber dem Sektor suchen, mit einem potenziellen Aufwärtspotenzial im Falle verschärfter Handelskriege.

Studienreferenz:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Ein umfassender Überblick über Anwendungen des maschinellen Lernens in erneuerbaren Energiesystemen. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}