Προώθηση Λύσεων HVAC με Ηλεκτροθερμικές Υλικά

Η Τεράστια Ζήτηση Ενέργειας από τα HVAC

Modern industrial society uses a lot of energy. One application we tend to underestimate when it comes to energy usage is cooling and heating. Αντιπροσωπεύει περισσότερο από το μισό της συνολικής παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας, ξεπερνώντας το ηλεκτρισμό (20%) και τις μεταφορές (30%).

Έτσι, ίσως ακόμη και περισσότερο από τα ηλεκτρικά οχήματα, η ηλεκτροποίηση των HVAC (Θέρμανση, Εξαερισμός και Κλιματισμός) και η βελτίωση της αποδοτικότητάς τους είναι κρίσιμη για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών άνθρακα. Ιδιαίτερα καθώς η ζήτηση μόνο για ψύξη αναμένεται να τριπλασιαστεί μέχρι το 2050 λόγω της οικονομικής ανάπτυξης σε χώρες με ζεστό κλίμα και μεγάλα πληθυσμιακά μεγέθη, όπως η Ινδία και η Ινδονησία.

Πηγή: Daikin

Μέχρι τώρα, η προτιμώμενη τεχνολογία για την επίτευξη υψηλής απόδοσης στα HVAC ήταν οι αντλίες θερμότητας που χρησιμοποιούν συμπιεστική ψύξη.

Μια νέα τεχνολογία έρχεται τώρα να αμφισβητήσει το status quo, βασισμένη σε μια φυσική αρχή που ονομάζεται «ηλεκτροθερμική ψύξη».

Πώς Λειτουργούν οι Αντλίες Θερμότητας

Όλες οι αντλίες θερμότητας, από τις συμπιεστικές αντλίες θερμότητας έως τις μελλοντικές ηλεκτροθερμικές αντλίες θερμότητας, λειτουργούν με μια βασική αρχή: τη μεταφορά θερμότητας αντί για τη δημιουργία της.

Αυτή είναι μια πολύ διαφορετική αρχή από τα συστήματα θέρμανσης που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα και άλλα ηλεκτρικά συστήματα θέρμανσης, στα οποία είτε η ηλεκτρική ενέργεια είτε το αέριο/άνθρακας/πετρέλαιο καταναλώνονται για την παραγωγή θερμότητας.

Μια αντλία θερμότητας, αντίθετα, παίρνει θερμότητα από τη μία πλευρά ενός τοίχου και τη μεταφέρει στην άλλη. Το χειμώνα, απορροφά θερμότητα από το εξωτερικό και τη στέλνει στο κτίριο. Το καλοκαίρι, αντιστρέφει αυτή τη διαδικασία για να ψύξει το κτίριο και λειτουργεί όπως ο κλιματισμός.

Η μεταφορά θερμότητας είναι πολύ πιο αποδοτική από τη δημιουργία της. Αυτό επιτρέπει σε μια συμπιεστική αντλία θερμότητας να παράγει 2-4W θερμότητας/ψύξης για κάθε W ισχύος που καταναλώνεται.

Πηγή: RMI

Η θερμότητα κινείται μέσα και έξω από το περιβάλλον, με τις 2 κύριες επιλογές να είναι η χρήση εξωτερικού αέρα ή του γύρω εδάφους μέσω υπόγειων σωληνώσεων.

Οι αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούνται κυρίως για τη θέρμανση και ψύξη κτιρίων όπως γραφεία, εμπορικούς χώρους και κατοικίες. Ωστόσο, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανικό περιβάλλον, επαναχρησιμοποιώντας πηγές ενέργειας από μια βιομηχανική διαδικασία σε άλλη, οδηγώντας επίσης σε τεράστιες εξοικονομήσεις ενέργειας.

Πηγή: Sintef

Ηλεκτροθερμικές Αντλίες Θερμότητας για να Υπερβούν τη Συμπίεση

Πρόοδος στην Ηλεκτροθερμική Τεχνολογία

Οι παραδοσιακές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούν το θερμικό αποτέλεσμα της συμπίεσης και αποσυμπίεσης για να μεταφέρουν τη θερμότητα από ένα σημείο σε άλλο. Αυτό απαιτεί ψυκτικά μέσα όπως υδροφθορογονάνια ή αμμωνία, που έχουν άμεσες ή έμμεσες επιδράσεις στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Η αρχή του ηλεκτροθερμικού φαινομένου είναι διαφορετική. Ένα ηλεκτροθερμικό σύστημα θερμαίνεται όταν εκτίθεται σε ηλεκτρικά πεδία, καθώς προκαλεί την ευθυγράμμιση των ατόμων σε μία κατεύθυνση, μειώνοντας την εντροπία. Το αντίστροφο συμβαίνει, προκαλώντας ψύξη όταν τα ηλεκτρικά πεδία σταματούν.

Πηγή: Fraunhofer IPM

Τα ηλεκτροθερμικά φαινόμενα είναι γνωστά από τη δεκαετία του 1960, αλλά τότε η μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας που μπορούσε να επιτευχθεί ήταν μόλις 2,5 °C.

Κάποια πρόοδο σημειώθηκε το 2006, όταν μια λεπτή μεμβράνη από μολυβδό-τιτάνιο-οξυγόνο-ζιρκόνιο πέτυχε 12 °C δυνατότητα ψύξης.

Ωστόσο, η πρόσφατη ανακάλυψη σχεδόν 21 °C μεταβολής θερμοκρασίας, που επιτεύχθηκε από ερευνητές του Λουξεμβουργιακού Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας στο Belvaux, δείχνει ότι η τεχνολογία γίνεται αρκετά ισχυρή για εμπορικές εφαρμογές.

Πρότυπο Ηλεκτροθερμικού

Η ομάδα χρησιμοποίησε πολυμερές και πολυεπίπεδους πυκνωτές (MLC) από μολυβδό-σκάνδιο-τάνταλ-οξυγόνο (PST).

Πηγή: UPCommons

Οι ερευνητές του Λουξεμβούργου δημιούργησαν ένα πρωτότυπο που πέτυχε μέγιστη ψύξη όταν λειτουργούσε κάτω από 10 V ανά μικρόμετρο ισχύος, δημιουργώντας μέγιστη ψύξη 4,2 W.

Πηγή: Techspot

Αυτή είναι μια ριζική βελτίωση σε σχέση με όλες τις προηγούμενες μεθόδους, με το εύρος θερμοκρασίας και την ψυκτική ισχύ, αντίστοιχα, 50 % και 15 φορές μεγαλύτερα από τις προηγούμενες καλύτερες ηλεκτροθερμικές συσκευές.

Αυτό τοποθετεί το πρωτότυπο πολύ μπροστά από όλες τις προηγούμενες δοκιμασμένες ηλεκτροθερμικές έννοιες.

Πηγή: UPCommons

Πηγή: UPCommons

Το υλικό δοκιμάστηκε επίσης για επαναλαμβανόμενους κύκλους θέρμανσης και ψύξης και δεν έδειξε σημάδια φθοράς.

Μεταξύ των πολλών πλεονεκτημάτων των ηλεκτροθερμικών συστημάτων είναι ότι η άμεση χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας καθιστά τα EC ψυγεία συμπαγή σε όγκο και κατάλληλα για μίνιμαλ εφαρμογές. Έτσι, εκτός από τις μελλοντικές αντλίες θερμότητας, θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε μικρές ηλεκτρονικές συσκευές και μπαταρίες.

Έχει επίσης πολύ υψηλή απόδοση, ενδεχομένως πολύ υψηλότερη από ό,τι μπορεί να επιτύχει ένα σύστημα συμπιεστικής αντλίας θερμότητας.

Περαιτέρω Βελτιώσεις

Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science περιγράφει ένα πρωτότυπο. Συζητούνται επίσης κάποιες περαιτέρω βελτιώσεις.

Για παράδειγμα, το τρέχον πρωτότυπο χρησιμοποιεί διηλεκτρικό υγρό αντί για νερό για την αποφυγή βραχυκυκλώσεων. Ωστόσο, αυτό το διηλεκτρικό υγρό έχει φτωχές θερμικές ιδιότητες σε σύγκριση με το νερό.

Έτσι, η ανάπτυξη αδιάβροχων πολυεπίπεδων πυκνωτών (MLC) θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την ταχύτητα και την ψυκτική ικανότητα του συστήματος.

Η αύξηση του αριθμού και της πυκνότητας των MLC θα μπορούσε επίσης να αποφέρει μεγαλύτερο ψυκτικό δυναμικό.

Τέλος, πιο λεπτές και επίπεδες ηλεκτροθερμικές μονάδες θα βοηθούσαν, και δεν είναι σαφές αν η εφαρμογή υψηλότερων ηλεκτρικών πεδίων είναι εφικτή και ασφαλής.

Προηγμένες Εταιρείες Αντλιών Θερμότητας

Προς το παρόν δεν υπάρχει εταιρεία που να εμπορευματοποιεί ηλεκτροθερμικές αντλίες θερμότητας ή συστήματα ψύξης. Παραμένει ακόμη κυρίως ακαδημαϊκό και πεδίο εφαρμοσμένης φυσικής.

Ωστόσο, είναι πιθανό ότι καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται σε επίπεδο αποδοτικότητας που καθιστά τη εμπορευματοποίηση βιώσιμη, αυτά τα ερευνητικά ιδρύματα θα επιδιώξουν να εκμεταλλευτούν τα διπλώματά τους.

Έτσι, θα μπορούσε να είναι ενδιαφέρον να εξετάσουμε τους ηγέτες της βιομηχανίας αντλιών θερμότητας που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από την αδειοδότηση της πνευματικής ιδιοκτησίας για ηλεκτροθερμικές συσκευές.

Είναι επίσης πιθανό ότι η δημιουργία εμπορικών ηλεκτροθερμικών συστημάτων και η διανομή τους στους τελικούς χρήστες θα είναι μια διαδικασία με υψηλό κεφαλαιακό κόστος, ευνοώντας τους μεγαλύτερους παίκτες της βιομηχανίας.

1. Carrier Global

Carrier είναι ηγέτης στα HVAC (εμπορικά και οικιακά), στην αλυσίδα ψύξης, και στην πυρ/ασφάλεια, με πάνω από 58.000 υπαλλήλους. Αν και δεν πουλά μόνο αντλίες θερμότητας, είναι μια κατηγορία προϊόντων που αποτελεί εστίαση της εταιρείας και την οποία βλέπει ως το μέλλον της βιομηχανίας.

Επικεντρώνεται κυρίως στις Αμερικές, με τα HVAC να αποτελούν πάνω από το μισό των πωλήσεών της.

Πηγή: Carrier Global

Διαθέτει εγκατεστημένη βάση άνω των 330.000 εμπορικών HVAC, 33 εκατομμύρια οικιακών HVAC, 1,8 εκατομμυρίων εξοπλισμού ψύξης και πάνω από 90 εκατομμύρια συστημάτων πυρ και ασφάλειας.

Η εταιρεία έχει θέσει ως στόχο τη δραστική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) έως το 2030.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι πολλές από αυτές τις εκπομπές προέρχονται από ψυκτικά αμμωνίας, η δυνατότητα μετάβασης σε ηλεκτροθερμικό σύστημα στο μέλλον προσφέρει στη βιομηχανία ένα μονοπάτι όπου οι εκπομπές θα περιορίζονται μόνο στην κατανάλωση ενέργειας και την εξόρυξη μετάλλων, που θα τροφοδοτούνται από ανανεώσιμες πηγές.

Πηγή: Carrier Global

2. Daikin Industry

Η ιαπωνική εταιρεία που ιδρύθηκε το 1924 μπορεί να ισχυριστεί ότι είναι η παγκόσμια αριθμός 1 εταιρεία κλιματισμού.

Η εταιρεία δραστηριοποιείται στον χώρο των αντλιών θερμότητας από το 2006 και έχει δημιουργήσει ήδη το 2008 μια επιχειρηματική συνεργασία με την Gree Electric Appliance, κορυφαία κατασκευάστρια κλιματιστικών στην Κίνα.

Πωλεί κυρίως στις Αμερικές, την Ευρώπη και την Ανατολική Ασία, αλλά έχει βιώσει εκρηκτική ανάπτυξη σε αγορές όπως η Ινδία, με αύξηση πωλήσεων 23 φορές μεταξύ 2009 και 2022.

Πηγή: Daikin

Ένα από τα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα της Daikin είναι το ψυκτικό R32, με πολύ χαμηλότερη επίδραση στην υπερθέρμανση του πλανήτη σε σύγκριση με τους ανταγωνιστές της.

Αυτό σημαίνει ότι η εμφάνιση των ηλεκτροθερμικών συστημάτων μπορεί βραχυπρόθεσμα να αποτελεί απειλή για τη ανταγωνιστική θέση της εταιρείας.

Πηγή: Daikin

Αλλά ταυτόχρονα, αντικατοπτρίζει την προϋπάρχουσα εστίαση της εταιρείας στο περιβαλλοντικό αντίκτυπο των συστημάτων ψύξης και τις καινοτομικές δυνατότητες (επένδυσε 300 εκατομμύρια δολάρια σε νέο κέντρο Ε&Α το 2015) και θα την καθιστούσε καλό υποψήφιο για την ανάπτυξη αυτών των συστημάτων σε εμπορική κλίμακα.

Ένα ισχυρό δείγμα της δέσμευσης της Daikin στην οικολογική καινοτομία είναι η παγκόσμια δωρεάν πρόσβαση στα βασικά διπλώματα για το R32 από το 2015 και η δωρεάν πρόσβαση το 2019 σε όλα τα διπλώματα του ομίλου από το 2011.

3. NIBE Group

Οι επενδυτές που ενδιαφέρονται για τις προοπτικές των αντλιών θερμότητας και των ηλεκτροθερμικών συστημάτων μπορεί να επιθυμούν μια εταιρεία πλήρως αφιερωμένη στον τομέα, χωρίς τις αποσπάσεις και τους κινδύνους που σχετίζονται με άλλες τεχνολογίες.

Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να ενδιαφέρονται για τη Nibe, έναν ευρωπαϊκό κατασκευαστή αντλιών θερμότητας, καθώς και ξυλόσομπων (άλλη πηγή θερμότητας ουδέτερη ως προς το άνθρακα).

Η εταιρεία προέρχεται από τη Σουηδία και εξακολουθεί να πραγματοποιεί μεγάλο μέρος των πωλήσεών της στις σκανδιναβικές χώρες, καθώς και στην Ευρώπη. Είχε 21.333 υπαλλήλους το 2022.

Πηγή: Nibe

Οι αντλίες θερμότητας της εταιρείας έχουν αποφύγει τις εκπομπές 360.000 τόνων CO2 σε μόλις ένα χρόνο.

Ως πιο εξειδικευμένη εταιρεία, η Nibe είναι εξίσου μεγάλη με τη Daikin ή την Carrier όσον αφορά μόνο τις αντλίες θερμότητας.

Με την έρευνα για ηλεκτροθερμικά υλικά να προχωρά σε χώρες όπως το Λουξεμβούργο και η Γερμανία, αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για ευρωπαϊκές εταιρείες όπως η Nibe να δημιουργήσουν προνομιούχες σχέσεις με ερευνητές και να είναι μεταξύ των πρώτων που θα επεκτείνουν την προσφορά τους πέρα από τις αντλίες θερμότητας που βασίζονται σε συμπίεση.