Uued soojuspumba konstruktsioonid kaotavad külmutusagensi asemel magnetid

Soojuse tootmise parandamine

Kõigist võimalikest energiavajadustest on soojus suurim lõpptarbija (sealhulgas näiteks soojuseks muundatud elekter). Seega on mõistlik, et dekarboniseerimine toimub ainult siis, kui soojust toodetakse võimalikult roheliselt ja väga tõhusalt.

See pole kaugeltki tehtud, sest fossiilkütused moodustavad 63% kogu maailma energiakasutusest hoonete kütmiseks, mis on vaid 4 protsendipunkti võrra vähem kui 2010. aastal.

Allikas: IEA

See on suureks takistuseks mis tahes neto-null-stsenaariumi puhul, mis nõuab vähemalt sama palju pingutusi kui üksikute transpordimeetodite vahetamine elektrisõidukitele.

Praeguseks on põhiliseks meetodiks pöördumine soojuspumpade poole, mis soojuse tootmiseks asjade põletamise asemel liigutavad seda ühest punktist teise.

Isegi kui need on tõhusamad, saaks soojuspumpasid siiski täiustada. Just selle kallal töötavad Amesi riikliku labori (USA) ja Iowa osariigi ülikooli teadlased uut tüüpi soojuspumbaga, mida nimetatakse magnetsoojuspumbaks.

Nad avaldasid hiljuti oma viimased tulemused ajakirjas Applied Energy pealkirja all "Skaleeritav ja kompaktne magnetsoojuspumba tehnoloogia¹".

Kuidas traditsioonilised kuhjapumbad töötavad?

Soojuspumba põhikontseptsioon on energia ühest kohast kinni haaramine ja teise viimine.

Tavaliselt eraldab see soojust maja või muude hoonete ümbrusest ja suunab selle tagasi sisse.

Kuna soojust tegelikult ei toodeta, vaid seda liigutatakse, võib see kuvada tarbitud elektri vatt-tundides (Wh) mõõdetuna üle 100% efektiivsuse.

See süsteem on ka polüvalentsem kui traditsiooniline küttesüsteem, kuna see võib töötada ka vastupidises suunas. Nii et enamikul juhtudel võib see suvekuudel kahekordistada ka jahutamist.

Allikas: Soojuspumba ladu

Tüüpiline soojuspump kasutab soojuse liigutamiseks gaasi kokkusurumise süsteemi, kuna gaasid neelavad või vabastavad soojust, kui neid kokku surutakse/lahti surutakse.

Gaasi kokkusurumine on kõige sagedamini kasutatav meetod, kuna see on väga tuntud tehnoloogia, mis tugineb ventiilidele, torudele ja kompressoritele, mis ei erine aastakümneid tagasi kasutatavast.

See ei pruugi aga olla parim võimalik soojuspumba konstruktsioon, kuna magnetist saab tugev kandidaat.

Soojuspumpade tüübid

Erinevad soojuspumpade konstruktsioonid erinevad mitmel viisil, sealhulgas kust nad energiat ammutavad, kuhu saadavad ja kas nad on külma kliimaga kohanenud või mitte.

Energia allikad

• Maapealne allikas: Tuntud ka kui geotermilised soojuspumbad, kasutavad nad maapinnast saadavat soojust ja on tuntud oma kõrge efektiivsuse poolest.
• Õhuallikas: Kõige tavalisem tüüp, need eraldavad soojust õhust ja neid on lihtsam paigaldada kui maapealseid pumpasid.
• Vee allikas: Need kasutavad soojusvahetuseks lähedalasuvaid veeallikaid, nagu järved või kaevud.

paigaldamine

• Kanalisatsioon: Kodu torustikuga integreeritud need pakuvad tsentraliseeritud kütet ja jahutust.
• Mini-jaotus: Ideaalsed ilma kanaliteta kodudesse, võimaldavad ruumitemperatuure individuaalselt reguleerida.

Kliima

• Külm kliima: Need soojuspumbad, mis on spetsiaalselt loodud karmide talvedega piirkondadele, säilitavad tänu täiustatud funktsioonidele, nagu muutuva kiirusega kompressorid, tõhususe isegi väga külmadel temperatuuridel.
• Tavaline kliima: Ideaalsed mõõduka kliima jaoks, need on standardsed soojuspumbad, mis sobivad tüüpiliste kütte- ja jahutusvajaduste jaoks.

Soojusülekande meetod

• Gaasi kokkusurumine: Töötab suhteliselt hästi lihtsa ja tuntud tehnoloogiaga.
• Magnetid: Suurema “tahkise” kalorisoojuspumba alamhulk, mis ei vaja jahutusvedelikku.

Magnetokalorilise soojuspumba (MCHP) tehnoloogia

MCHP kasutab magnetokaloriliste efektide ehk magnetiliste materjalide jahutamise või kuumutamise põhimõtteid väliselt rakendatud magnetvälja variatsiooniga.

Allikas: STD

Teoreetiliselt võib see olla palju parem süsteem, kuna see eemaldab vajaduse külmutusagensi materjalide järele, mis on üldiselt mürgised ja/või keskkonnale kahjulikud, väga sageli lekivad traditsioonilistest soojuspumpadest, eriti kui seadmed vananevad.

Aastate jooksul on erinevate seadistustega välja pakutud palju erinevaid magnetsoojuspumpade konstruktsioone:

• Erinevate magnetväljade tugevus.
• Erinevad magnetkalorilised materjalid, nagu puhas gadoliinium, gadoliiniumi sulamid ja LaFeSi sulamid (lantaan-raud-räni).
• Magnetokalorilise materjali erinevad kujud.

Need süsteemid on näidanud suuremat efektiivsust kui parimad aurukompressioonisüsteemid. Nende temperatuurivahemik ja soojusvõimsus sobisid samuti hästi.

Siiski oli veel vaja tõestada, et need süsteemid sobiksid traditsiooniliste soojuspumpadega kulude, massi ja suuruse osas, mis on kõik olulised kaalutlused potentsiaalse ärilise edu saavutamiseks.

Muutuv jõudlus

Teadlased mõõtsid erinevate MCHP kavandatud konstruktsioonide süsteemi võimsustihedust (SPD) või soojusvõimsust vattides jagatuna seadme massiga kilogrammides.

Olemasolev teaduskirjandus näitab väga erinevaid SPD-sid, mis jäävad vahemikku ∼1 kuni 40 W/kg.

Huvitaval kombel oli kahel kõrgeima SPD-ga disainil täiesti erinev lähenemine: üks kasutas kõrgeid magnetvälju kõrgetel sagedustel ja teine ​​madalatel sagedustel madalaid välju. Seega on tõenäoliselt mitu lähenemisviisi, millest igaüks on tehniliselt elujõuline.

Kompressoritega võistlemine

Teadlased on uurinud mitmeid viise, kuidas tõhustada SPD-d, mis on seni tähelepanuta jäetud uurimistöö koht, millel on absoluutne tõhusus ja rohkem materjaliteaduste teadlaste tähelepanu.

Selliste soojuspumpade massilisel kasutuselevõtul on aga tõenäoliselt kõige olulisem SPD, kuna ükski lõppkasutaja, nii tarbijad kui ka ehitajad, ei aktsepteeri täisruumi suurusi või liiga raskeid soojuspumpasid, et neid oleks lihtne käsitseda.

Nad kasutasid erinevaid meetodeid:

• Kasutatava magnetsulami erinevus:
  • Ainuüksi gadoliiniumi võimsus massi kohta oli 374 W/kg.
  • Ainuüksi LaFeSi-põhiste materjalide puhul oli see 854 W/kg.
• Magnetmaterjali erinevad kujundused, alates plaatidest kuni helmesteni.
• Erinevad magnetimpulsid, erineva sageduse ja intensiivsusega.

Selle süstemaatilise testimise käigus leidsid teadlased, et tehnilisest lähtetasemest 5.9 W/kg saab MCHP-süsteeme tõsta kuni 81.3 W/kg ehk peaaegu 14 korda suurema süsteemi võimsustiheduseni.

Nendest leidudest selgub, et MCHP-d suudavad peaaegu ühtida mõnede praegu kasutatavate kompressoripõhiste soojuspumpade SPD-ga, eriti madala või mõõduka jahutusvõimsuse (< 200 W) puhul.

Magnetokaloriliste soojuspumpade ettevõtted

Tundub, et järgmine ei ole börsil noteeritud ettevõte, mis praegu siiski MCHP-d müüb. See on aga väga aktiivne valdkond, kus on palju idufirmasid, mis on sageli tippülikoolides tehtud tipptasemel teadustöö kõrvalettevõtted. Näiteks:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, on Saksa tütarettevõte HYDAC grupp(ka eraomanduses).
• Kaamera külmik

Seega, kuigi see pole väga lihtne juurdepääs, võib see olla huvitav idee inimestele, kes on akrediteeritud investorid ja kellel on juurdepääs sellistele investeeringutele.

Gadoliiniumi ettevõte

Gadoliinium on haruldane muld ja 97% maailma toodangust (gadoliiniumdioksiid) toodab Hiina.

Huvitav on see, et metallil on praegu vähe rakendust peale niššikasutuse, nagu neutronite neeldumine mõnes tuumareaktoris või magnetilised kontrastained MRT jaoks, ja seepärast oleks see ideaalne ressurss, mida kasutada praegu soojuspumpades kasutatava saastava külmutusagensi asemel.

Kuna kaubanduspinged USA ja Hiina vahel on alates Trumpi esimesest eesistumisest pidevalt kasvanud, eelistavad tõenäoliselt kõik lääne investorid, kes soovivad panustada haruldastele muldmetallidele, sealhulgas gadoliiniumile, alternatiivseid allikaid.

Selline potentsiaalne ettevõte on Neo Materials.

Neo Materials on spetsialiseerunud haruldaste muldmetallide ja kriitiliste materjalide tootmisele. See hõlmab gadoliiniumi, aga ka praegu olulisi muid haruldasi muldmetallisid ja materjale, nagu hafnium, nioobium, gallium ja haruldased muldmetallid.

Allikas: Neo materjalid

Kõik need tooted on kriitilise tähtsusega pooljuhtide, tuuleturbiinide magnetite, elektrisõidukite jms tootmiseks. Enamikul juhtudel tarnib neid 90–99% Hiinast.

Ettevõte teenib suurema osa oma tuludest "Magnequench”: neodüüm-raud-boor (NdFeB) magnetpulbrid ja magnetid, mida kasutatakse elektrimootorites (sh elektrimootorites).

Suuruselt teine ​​pärineb Chemicals & Oxides'ist, mida kasutatakse nafta- ja keemilistes katalüsaatorites, hübriid- ja elektrisõidukites, veepuhastuses, suure tõhususega kuvarites, optilistes läätsedes, olmeelektroonikas jne.

Allikas: Neo materjalid

Neo tulud on ka geograafiliselt väga hajutatud, muutes selle geopoliitiliste tormide eest turvalisemaks kui enamik selle sektori ettevõtteid. Ta toodab mõningaid tooteid Hiinas ja on isegi muutnud 2019. aastal omandatud AsiaMagi Hiina 5 suurima võltsmagnetitootja hulka, suurendades oma müügimahtu 5 korda.

Kuid see hajutab ka selle geograafilist riski. Näiteks ehitab ettevõte Euroopa Liidus (Eestis) esimese väljaspool Hiinat elektriautode paagutatud magnetitehase, mille esimene tootmine peaks toimuma 2025. aastal.

Allikas: Neo materjalid

Üldiselt on Neo Materialsil püsimagneti ja haruldaste muldmetallide väärtusahelas Hiinast kõige enam integreeritud, ainult toormaagi kaevandamine pole vertikaalselt integreeritud.

Ettevõttel on ka haruldaste muldmetallide magnettoodete valdkonnas rohkem haruldaste muldmetallide kõrgharidust ja tehnilisi eksperte kui ühelgi teisel ettevõttel väljaspool Hiinat või Jaapanit. Ja isegi Jaapanis võib see ületada kohalikke konkurente, sõlmides lepinguid selliste ettevõtetega nagu Honda või Daido Steel.

Allikas: Neo materjalid

Tänu keskkonnasäästlikule üleminekule oluliste materjalide tugevale kohalolekule ning paljudele kõrgtehnoloogilistele rakendustele alates pooljuhtide tootmisest kuni erisulamite ja katalüsaatoriteni, on Neo hea aktsia valik investoritele, kes soovivad sektoriga kokku puutuda. süvenevad kaubandussõjad.

Uuringu viide:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z. ja Chen, H. (2024). Põhjalik ülevaade masinõppe rakendustest taastuvenergiasüsteemides. Rakendusenergia, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}