Νέοι Σχεδιασμοί Αντλιών Θερμότητας Απομακρύνουν τα Ψυκτικά Μέσα υπέρ των Μαγνητών

Βελτίωση Παραγωγής Θερμότητας

Ανάμεσα σε όλες τις πιθανές απαιτήσεις ενέργειας, η θερμότητα είναι η μεγαλύτερη χρήση (συμπεριλαμβανομένης, για παράδειγμα, της ηλεκτρικής ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα). Έτσι έχει νόημα ότι η αποανθρακοποίηση θα συμβεί μόνο εάν η παραγωγή θερμότητας γίνει με τον πιο φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο και πολύ αποδοτικά.

Αυτό είναι μακριά από την ολοκλήρωση, καθώς τα ορυκτά καύσιμα αντιπροσωπεύουν το 63 % της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας για θέρμανση κτιρίων, με μείωση μόλις 4 μονάδων ποσοστού από το 2010.

Πηγή: IEA

Αυτό αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για οποιοδήποτε σενάριο μηδενικού εκπομπών, απαιτώντας τουλάχιστον τόσο προσπάθεια όσο η μετάβαση των ατομικών μέσων μεταφοράς σε ηλεκτρικά οχήματα.

Προς το παρόν, η κύρια μέθοδος είναι η στροφή προς τις αντλίες θερμότητας, οι οποίες, αντί να καίνε κάτι για να παράγουν θερμότητα, τη μεταφέρουν από ένα σημείο σε άλλο.

Ακόμη και αν είναι πιο αποδοτικές, οι αντλίες θερμότητας μπορούν ακόμη να βελτιωθούν. Αυτό είναι το αντικείμενο έρευνας των ερευνητών στο Ames National (ATLO ) Laboratory (ΗΠΑ) και στο Iowa State University, με έναν νέο τύπο αντλίας θερμότητας που ονομάζεται «μαγνητοκαλιρική αντλία θερμότητας».

Οι ερευνητές δημοσίευσαν πρόσφατα τα τελευταία τους αποτελέσματα στο περιοδικό Applied Energy, υπό τον τίτλο “Κλιμακώσιμη και συμπαγής τεχνολογία μαγνητοκαλιρικής αντλίας θερμότητας¹“.

Πώς Λειτουργούν οι Παραδοσιακές Αντλίες Θερμότητας;

Η βασική ιδέα μιας αντλίας θερμότητας είναι να «πιάσει» ενέργεια σε ένα σημείο και να τη μεταφέρει σε ένα άλλο.

Συνήθως, εξάγει θερμότητα από το περιβάλλον γύρω από ένα σπίτι ή άλλα κτίρια και την εισάγει ξανά μέσα.

Επειδή δεν παράγεται πραγματικά θερμότητα, απλώς μετακινείται, μπορεί να εμφανίζει αποδοτικότητες άνω του 100 % όταν μετράται σε Watt-ώρες (Wh) ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνονται.

Αυτό το σύστημα είναι επίσης πιο πολυλειτουργικό από ένα παραδοσιακό σύστημα θέρμανσης, καθώς μπορεί να λειτουργήσει και αντίστροφα. Έτσι, στις περισσότερες περιπτώσεις, μπορεί να λειτουργεί και ως ψύξη κατά τους καλοκαιρινούς μήνες.

Πηγή: The Heat Pump Warehouse

Η τυπική αντλία θερμότητας χρησιμοποιεί ένα σύστημα συμπίεσης αερίου για τη μεταφορά της θερμότητας, καθώς τα αέρια απορροφούν ή αποβάλλουν θερμότητα όταν συμπιέζονται/αποσυμπιέζονται.

Η συμπίεση αερίου είναι η πιο κοινή μέθοδος, επειδή είναι μια πολύ γνωστή τεχνολογία, βασισμένη σε βαλβίδες, σωλήνες και συμπιεστές που δεν διαφέρουν πολύ από εκείνα που χρησιμοποιούνταν πριν από δεκαετίες.

Ωστόσο, αυτό ίσως δεν είναι ο καλύτερος δυνατός σχεδιασμός αντλίας θερμότητας, με το μαγνήτη να γίνεται ισχυρός ανταγωνιστής.

Τύποι Αντλιών Θερμότητας

Διαφορετικοί σχεδιασμοί αντλιών θερμότητας διαφέρουν με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένου πού εξάγουν την ενέργεια, πού την αποστέλλουν και αν είναι προσαρμοσμένες σε ψυχρά κλίματα ή όχι.

Πηγές Ενέργειας

• Γήινη Πηγή: Γνωστές επίσης ως γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, αξιοποιούν τη θερμότητα από το έδαφος και είναι γνωστές για την υψηλή τους απόδοση.
• Αεροπληγή: Ο πιο κοινός τύπος, εξάγει θερμότητα από τον αέρα και είναι πιο εύκολο στην εγκατάσταση από τις αντλίες γήινης πηγής.
• Υδατική Πηγή: Χρησιμοποιούν κοντινές πηγές νερού όπως λίμνες ή πηγάδια για ανταλλαγή θερμότητας.

Εγκατάσταση

• Με αγωγούς: Ενσωματωμένες στο σύστημα αγωγών ενός σπιτιού, παρέχουν κεντρική θέρμανση και ψύξη.
• Mini-Split: Ιδανικές για σπίτια χωρίς αγωγούς, επιτρέπουν ατομικό έλεγχο της θερμοκρασίας των δωματίων.

Κλίμα

• Ψυχρό Κλίμα: Σχεδιασμένες ειδικά για περιοχές με σκληρούς χειμώνες, αυτές οι αντλίες θερμότητας διατηρούν την απόδοση ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες χάρη σε προηγμένα χαρακτηριστικά όπως οι μεταβλητής ταχύτητας συμπιεστές.
• Κανονικό Κλίμα: Ιδανικές για ήπια κλίματα, αυτές είναι τυπικές αντλίες θερμότητας κατάλληλες για τις συνήθεις ανάγκες θέρμανσης και ψύξης.

Μέθοδος Μεταφοράς Θερμότητας

• Συμπίεση αερίου: Λειτουργεί λογικά καλά, με απλή, γνωστή τεχνολογία.
• Μαγνήτες: Ένα υποσύνολο της μεγαλύτερης «συμπαγούς‑κατάστασης» θερμικής αντλίας, η οποία δεν απαιτεί ψυκτικό.

Τεχνολογία Μαγνητοκαλιρικής Αντλίας Θερμότητας (MCHP)

Η MCHP χρησιμοποιεί τις αρχές των μαγνητοκαλιρικών φαινομένων, δηλαδή την ψύξη ή θέρμανση μαγνητικών υλικών με την αλλαγή ενός εξωτερικά εφαρμοσμένου μαγνητικού πεδίου.

Πηγή: DST

Στη θεωρία, αυτό μπορεί να είναι ένα πολύ καλύτερο σύστημα, καθώς αφαιρεί την ανάγκη για ψυκτικά υλικά, τα οποία είναι γενικά τοξικά και/ή επιβλαβή για το περιβάλλον, και συχνά διαρρέουν από τις παραδοσιακές αντλίες θερμότητας, ειδικά όταν ο εξοπλισμός γερνά.

Κατά τη διάρκεια των ετών, έχουν προταθεί πολλές διαφορετικές σχεδιάσεις για μαγνητοκαλιρικές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαμορφώσεις:

• Διαφορετική ισχύς μαγνητικών πεδίων.
• Διαφορετικά μαγνητοκαλιρικά υλικά, όπως καθαρό γαδολίνιο, κράματα γαδολινίου και κράματα LaFeSi (λανθανίδιο-σίδηρος-πυρίτιο).
• Διαφορετικά σχήματα για το μαγνητοκαλιρικό υλικό.

Αυτά τα συστήματα έχουν δείξει αποδοτικότητα υψηλότερη από τα καλύτερα συστήματα συμπίεσης ατμού. Το εύρος θερμοκρασίας και η θερμική ισχύς τους ήταν επίσης καλή αντιστοιχία.

Ωστόσο, δεν είχε ακόμη αποδειχθεί ότι αυτά τα συστήματα μπορούν να ταιριάξουν με τις παραδοσιακές αντλίες θερμότητας όσον αφορά το κόστος, τη μάζα και το μέγεθος, όλα σημαντικά κριτήρια για πιθανή εμπορική επιτυχία.

Μεταβλητή Απόδοση

Οι ερευνητές μέτρησαν την πυκνότητα ισχύος συστήματος (SPD) των διαφορετικών προτεινόμενων σχεδίων MCHP, δηλαδή τη θερμική ισχύ σε watt διαιρεμένη με τη μάζα της συσκευής σε kg.

Η υπάρχουσα επιστημονική βιβλιογραφία δείχνει μια ευρεία ποικιλία SPD, που κυμαίνεται από περίπου 1 έως 40 W/kg.

Αξιοσημείωτα, δύο από τα σχέδια με την υψηλότερη SPD είχαν εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις: το ένα χρησιμοποίησε υψηλά μαγνητικά πεδία σε υψηλές συχνότητες, ενώ το άλλο χρησιμοποίησε χαμηλά πεδία σε χαμηλές συχνότητες. Έτσι, πιθανώς υπάρχουν πολλαπλές προσεγγίσεις που είναι τεχνικά βιώσιμες.

Ανταγωνισμός με Συμπιεστές

Οι ερευνητές έχουν διερευνήσει πολλαπλούς τρόπους για την αύξηση του SPD, ένα πεδίο έρευνας που μέχρι τώρα είχε παραμεληθεί, με απόλυτη αποδοτικότητα και μεγαλύτερη εστίαση των ερευνητών των υλικών.

Ωστόσο, το SPD είναι πιθανό να είναι το πιο σημαντικό για τη μαζική υιοθέτηση τέτοιων αντλιών θερμότητας, καθώς κανένας τελικός χρήστης, τόσο καταναλωτές όσο και κατασκευαστές, δεν θα αποδεχτεί αντλίες θερμότητας του μεγέθους ενός πλήρους δωματίου ή πολύ βαρύ να χειριστούν εύκολα.

Χρησιμοποίησαν μια ποικιλία μεθόδων:

• Διαφοροποίηση του μαγνητικού κράματος που χρησιμοποιείται:
  • Η ισχύς ανά μάζα ήταν 374 W/kg για το γαδολίνιο μόνο.
  • Ήταν 854 W/kg για τα υλικά βάσει LaFeSi μόνο.
• Διαφορετικές σχεδιάσεις του μαγνητικού υλικού, από πλάκες έως σφαιρίδια.
• Διαφορετικές μαγνητικές παλμοδείξεις, με μεταβολές στη συχνότητα και την ένταση.

Μέσω αυτής της συστηματικής δοκιμής, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι από μια τεχνική βάση των 5,9 W/kg, τα συστήματα MCHP μπορούν να αυξηθούν έως 81,3 W/kg, ή σχεδόν 14 φορές την αύξηση στην πυκνότητα ισχύος του συστήματος.

Από αυτά τα ευρήματα, φαίνεται ότι τα MCHP μπορούν να ταιριάξουν σχεδόν με το SPD ορισμένων αντλιών θερμότητας που βασίζονται σε συμπιεστές, ειδικά για χαμηλές ή μέτριες δυνάμεις ψύξης (< 200 W).

Εταιρείες Μαγνητοκαλιρικής Αντλίας Θερμότητας

Η επόμενη δεν φαίνεται να είναι ακόμη εισηγμένη δημόσια εταιρεία που πουλά MCHP. Ωστόσο, είναι ένας πολύ ενεργός τομέας με πολλές νεοσύστατες εταιρείες, συχνά απογόνους αιχμηρής έρευνας που πραγματοποιείται σε κορυφαία πανεπιστήμια. Για παράδειγμα:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, είναι θυγατρική της γερμανικής HYDAC Group (επίσης ιδιωτική).
• Camfridge

Έτσι, ενώ δεν είναι πολύ εύκολο να προσεγγιστούν, μπορεί να αποτελεί ενδιαφέρουσα ιδέα για άτομα που είναι πιστοποιημένοι επενδυτές και έχουν πρόσβαση σε τέτοιες επενδύσεις.

Εταιρεία Γαδολινίου

Το γαδολίνιο είναι σπάνιο γήινο στοιχείο, και το 97 % της παγκόσμιας παραγωγής (οξείδιο γαδολινίου) παράγεται από την Κίνα.

Αξιοσημείωτα, το μέταλλο αυτή τη στιγμή έχει λίγες εφαρμογές εκτός από εξειδικευμένες χρήσεις όπως η απορρόφηση νετρονίων σε ορισμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες ή οι μαγνητικοί παράγοντες αντίθεσης για MRI, και επομένως θα ήταν ένας τέλειος πόρος για χρήση αντί του ρυπογόνου ψυκτικού που χρησιμοποιείται σήμερα στις αντλίες θερμότητας.

Καθώς οι εμπορικές εντάσεις μεταξύ ΗΠΑ & Κίνας έχουν αυξηθεί συνεχώς από την πρώτη προεδρία του Trump, είναι πιθανό ότι οι δυτικοί επενδυτές που είναι διατεθειμένοι να στοιχηματίσουν σε σπάνια γήινα στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του γαδολινίου, θα προτιμήσουν εναλλακτικές πηγές.

Μια τέτοια πιθανή εταιρεία είναι η Neo Materials.

Η Neo Materials ειδικεύεται στην παραγωγή σπάνιων γαιών και κρίσιμων υλικών. Αυτό περιλαμβάνει γαδολίνιο, αλλά και άλλα κρίσιμα σπάνια γήινα στοιχεία και υλικά, όπως το hafnium, το νιόβιο, το γαλλίου και τα σπάνια γήινα μαγνήτες.

Πηγή: Neo Materials

Όλα αυτά τα προϊόντα είναι κρίσιμα για την παραγωγή ημιαγωγών, μαγνητών ανεμογεννητριών, ηλεκτρικών οχημάτων κ.λπ. Και στις περισσότερες περιπτώσεις, προέρχονται κατά 90‑99 % από την Κίνα.

Η εταιρεία αποκομίζει το μεγαλύτερο μέρος των εσόδων της από το «Magnequench»: σκόνες και μαγνήτες νεοδίου-σιδήρου-βόριου (NdFeB) που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες (συμπεριλαμβανομένων των EV).

Η δεύτερη μεγαλύτερη προέρχεται από χημικά & οξείδια που χρησιμοποιούνται σε πετρελαϊκούς και χημικούς καταλύτες, υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα, καθαρισμό νερού, οθόνες υψηλής αποδοτικότητας, οπτικές φακούς, καταναλωτικά ηλεκτρονικά κ.λπ.

Πηγή: Neo Materials

Τα έσοδα της Neo είναι επίσης πολύ γεωγραφικά διαφοροποιημένα, καθιστώντας την πιο ασφαλή από γεωπολιτικές καταιγίδες σε σχέση με τις περισσότερες εταιρείες του κλάδου. Κατασκευάζει ορισμένα προϊόντα στην Κίνα και έχει μετατρέψει ακόμη και την AsiaMag, μια εξαγορά του 2019, στους πέντε μεγαλύτερους κατασκευαστές δεσμευμένων μαγνητών στην Κίνα, αυξάνοντας τον όγκο πωλήσεων της πέντε φορές.

Αλλά επίσης διαφοροποιεί τον γεωγραφικό κίνδυνο. Για παράδειγμα, η εταιρεία θα κατασκευάσει στην ΕΕ (Εσθονία) το πρώτο εκτός Κίνας εργοστάσιο σφριγμένου μαγνήτη για ηλεκτρικά οχήματα, με την πρώτη παραγωγή να αναμένεται το 2025.

Πηγή: Neo Materials

Συνολικά, η Neo Materials έχει την πιο ολοκληρωμένη παρουσία στην αλυσίδα αξίας των μόνιμων μαγνητών και των σπάνιων γαιών εκτός Κίνας, με μόνο την εξόρυξη του ακατέργαστου ορυκτού να μην είναι ενσωματωμένη.

Η εταιρεία διαθέτει επίσης περισσότερους προχωρημένους τίτλους σπάνιων γαιών και τεχνικούς ειδικούς σε προϊόντα σπάνιων γαιών μαγνητικών από οποιαδήποτε άλλη εταιρεία εκτός Κίνας ή Ιαπωνίας. Και ακόμη και στην Ιαπωνία, μπορεί να ξεπεράσει τους τοπικούς ανταγωνιστές για να υπογράψει συμβάσεις με εταιρείες όπως η Honda ή η Daido Steel.

Πηγή: Neo Materials

Αυτή η ισχυρή παρουσία σε υλικά κρίσιμα για την πράσινη μετάβαση, καθώς και σε πολλές υψηλής τεχνολογίας εφαρμογές από την κατασκευή ημιαγωγών μέχρι ειδικά κράματα και καταλύτες, καθιστά τη Neo μια καλή επιλογή μετοχής για επενδυτές που αναζητούν έκθεση στον κλάδο, με πιθανή άνοδο σε περίπτωση επιδείνωσης των εμπορικών πολέμων.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Μια ολοκληρωμένη επισκόπηση των εφαρμογών μηχανικής μάθησης στα συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}