HVAC-ratkaisujen edistäminen elektrokaloristen materiaalien avulla

Massiivinen energian kysyntä HVAC-järjestelmiltä

Moderni teollinen yhteiskunta käyttää paljon energiaa. Yksi sovellus, jonka energian kulutusta aliarvioimme, on jäähdytys ja lämmitys. Se edustaa yli puolta maailman kokonaisenergiankulutuksesta, enemmän kuin sähkö (20 %) ja liikenne (30 %).

Joten ehkä vielä tärkeämpää kuin sähköautot on HVAC:n (lämmitys, ilmanvaihto ja ilmastointi) sähköistäminen ja sen tehokkuuden parantaminen energian kulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Erityisesti pelkän jäähdytyksen kysynnän odotetaan kolminkertaistuvan vuoteen 2050 mennessä taloudellisen kehityksen myötä lämpimissä maissa, joissa on suuret väestöt, kuten esimerkiksi Intiassa ja Indonesiassa.

Lähde: Daikin

Siihen asti suosituin teknologia korkean energiatehokkuuden HVAC:n saavuttamiseksi on ollut kompressiopohjaiset lämpöpumput.

Uusi teknologia on nyt tulossa haastamaan vallitsevan tilanteen, perustuen fyysiseen periaatteeseen, jota kutsutaan “elektrokaloriseksi jäähdytykseksi”.

Kuinka lämpöpumput toimivat

Kaikki lämpöpumput, kompressiolämpöpumpuista tuleviin elektrokalorisiin lämpöpumppuihin, toimivat perusperiaatteella: lämmön siirtäminen sen sijaan, että sitä tuotaisiin.

Tämä on hyvin erilainen periaate kuin fossiilisiin polttoaineisiin perustuvat ja muut sähköiset lämmitysjärjestelmät, joissa joko sähköä tai kaasua/kiveä/öljyä kulutetaan lämmön tuottamiseen.

Lämpöpumppu sen sijaan ottaa lämpöä seinän yhdeltä puolelta ja siirtää sen toiselle puolelle. Talvella se imee lämpöä ulkopuolelta ja lähettää sen rakennukseen. Kesällä se kääntää prosessin päinvastaiseksi jäähdyttääkseen rakennuksen ja toimii kuin ilmastointi.

Lämmön siirtäminen on paljon tehokkaampaa kuin sen tuottaminen. Tämä mahdollistaa kompressiopohjaisen lämpöpumpun tuottaa 2‑4 W lämpöä/viilennystä jokaisesta kulutetusta wattista.

Lähde: RMI

Lämpö liikkuu sisään ja ulos ympäristöstä, ja kaksi päävaihtoehtoa ovat ulkoilman tai ympäröivän maaperän käyttäminen maanalaisilla putkilla.

Lämpöpumppuja käytetään yleisimmin rakennusten, kuten toimistojen, kaupallisten tilojen ja asuntojen, lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Niitä voidaan kuitenkin käyttää myös teollisessa ympäristössä, uudelleenkäyttämällä energiaa yhdestä teollisesta prosessista toiseen, mikä johtaa myös merkittäviin energiansäästöihin.

Lähde: Sintef

Elektrokaloriset lämpöpumput siirtyäkseen kompressionin yli

Edistysaskeleita elektrokalorisessa teknologiassa

Perinteiset lämpöpumput käyttävät kompression ja dekompression lämpövaikutusta lämmön siirtämiseen pisteestä toiseen. Tämä vaatii kylmäaineita, kuten hydrofluorihiilivetyjä tai ammoniakkia, joilla on suoria tai epäsuoria kasvihuonevaikutuksia ilmastoon.

Elektrokalorinen periaate on erilainen. Elektrokalorinen järjestelmä lämpenee, kun se altistuu sähkökentille, koska se saa atomit asettumaan yhteen suuntaan, mikä vähentää entropiaa. Käänteinen tapahtuu, jolloin jäähdytys syntyy, kun sähkökentät lopetetaan.

Lähde: Fraunhofer IPM

Elektrokalorisia ilmiöitä on tiedossa 1960‑luvuista, mutta silloin suurin saavutettu lämpötilaero oli vain 2,5 °C.

Jonkin verran edistystä tapahtui 2006, kun ohuesta lyijy-titani- happi- zirkoniumikalvosta saatiin 12 °C:n jäähdytyskapasiteetti.

Kuitenkin äskettäinen läpimurto, lähes 21 °C:n lämpötilamuutos, jonka ovat saavuttaneet Luxemburgin tiede‑ ja tekniikkainstituutin (LIST) tutkijat Belvauxissa, osoittaa, että teknologia on riittävän voimakas kaupallisiin sovelluksiin.

Elektrokalorinen prototyyppi

Tiimi käytti polymeeri‑ ja lyijy‑skandium‑tantaalu‑happo (PST) monikerrospurkaimia (MLC).

Lähde: UPCommons

Luxemburgin tutkijat ovat luoneet prototyypin, joka saavutti maksimaalisen jäähdytyksen alle 10 V per mikrometri tehoa, tuottaen maksimaalisen jäähdytyksen 4,2 W.

Lähde: Techspot

Tämä on radikaali parannus kaikkiin aiemmin kehitettyihin menetelmiin verrattuna, sillä lämpötila‑alue ja jäähdytysteho ovat vastaavasti 50 % ja 15‑kerta suurempia kuin aiemmissa parhaissa elektrokalorisissa laitteissa.

Tämä asettaa prototyypin selvästi edelle kaikista aiemmin testatuista elektrokalorisista konsepteista.

Lähde: UPCommons

Lähde: UPCommons

Materiaalilla testattiin myös toistuvia lämmitys‑ ja jäähdytyssyklejä, eikä se osoittanut merkkejä heikkenemisestä.

Monien elektrokaloristen järjestelmien etujen joukossa on se, että suora sähkön käyttö tekee EC‑jäähdyttimistä kompakteja tilavuudeltaan ja sopivia miniaturisaatioon. Joten tulevaisuuden lämpöpumppujen lisäksi sitä voitaisiin käyttää myös pienelektroniikassa ja akkuissa.

Se omaa myös erittäin korkean hyötysuhteen, mahdollisesti paljon korkeamman kuin kompressiolämpöpumppujärjestelmä voi toivoa saavuttavansa.

Lisäparannuksia

Tutkimus, joka on julkaistu Science‑lehdessä kuvaa prototyypin. Joitakin lisäparannuksia käsitellään myös.

Esimerkiksi nykyinen prototyyppi käyttää dielektristä nestettä veden sijaan lyhyiden oikosulkujen estämiseksi. Tämä dielektrinen neste kuitenkin omaa huonot lämmönjohtavuusominaisuudet verrattuna veteen.

Joten vesitiiviiden monikerrospurkaimien (MLC) kehittäminen voisi merkittävästi parantaa järjestelmän nopeutta ja jäähdytyskapasiteettia.

MLC‑yksiköiden määrän ja tiheyden lisääminen voisi myös tuottaa enemmän jäähdytystehoa.

Lopuksi ohuemmat ja tasaisemmat elektrokaloriset moduulit auttaisivat, eikä ole selvää, onko korkeampien sähkökenttien käyttö mahdollista ja turvallista.

Edistyneet lämpöpumppuyritykset

Tällä hetkellä ei ole yritystä, joka kaupallistaisi elektrokalorisia lämpöpumppuja tai jäähdytysjärjestelmiä. Se on edelleen vahvasti akateeminen ja sovelletun fysiikan ala.

Kuitenkin on todennäköistä, että kun teknologia kehittyy tehokkuustasolle, joka tekee kaupallistamisesta kannattavaa, nämä tutkimuslaitokset pyrkivät ansaitsemaan patenttejaan.

Joten olisi mielenkiintoista tarkastella lämpöpumppualan johtajia, jotka voisivat hyötyä elektrokaloristen laitteiden IP‑lisensoinnista.

On myös todennäköistä, että kaupallisen tason elektrokaloristen järjestelmien luominen ja niiden jakelu loppukäyttäjille on erittäin pääomavaltaista, mikä suosii alan suurimpia toimijoita.

1. Carrier Global

Carrier on johtava HVAC‑yritys (komerssi‑ ja asuinrakennukset), kylmäketju– ja paloturvallisuus-segmentin toimija, jossa on yli 58 000 työntekijää. Vaikka se ei myy pelkästään lämpöpumppuja, tämä tuotekategoria on yrityksen keskiössä ja sen näkee alan tulevaisuutena.

Se keskittyy enimmäkseen Amerikkaan, jossa HVAC muodostaa yli puolet sen myynnistä.

Lähde: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]

Sen asennettu kanta kattaa yli 330 000 kpl komerciaalisia HVAC‑järjestelmiä, 33 miljoonaa asuin‑HVAC‑järjestelmää, 1,8 miljoonaa kylmälaiteita ja yli 90 miljoonaa paloturvallisuus‑ ja turvallisuusjärjestelmää.

Yritys on sitoutunut vähentämään kasvihuonekaasupäästöjään (GHG) radikaalisti vuoteen 2030 mennessä.

Kun otetaan huomioon, että suuri osa näistä päästöistä johtuu ammoniakkikylmistä, elektrokaloriseen järjestelmään siirtymisen mahdollisuus tulevaisuudessa tarjoaa alalle polun, jossa ainoat päästöt liittyvät energian kulutukseen ja metallin louhintaan, jotka voidaan toteuttaa uusiutuvilla energialähteillä.

Lähde: Carrier Global

2. Daikin Industry

Japanilainen vuonna 1924 perustettu yritys voi väittää olevansa maailman ykkösilmanvaihtoyhtiö.

Yritys on ollut aktiivinen lämpöpumppumarkkinoilla vuodesta 2006 ja on jo vuonna 2008 solminut liikekumppanuuden Gree Electric Appliance-yrityksen kanssa, joka on Kiinan johtava ilmastointilaitteiden valmistaja.

Se myy enimmäkseen Amerikkaan, Eurooppaan ja Itä-Aasiaan, mutta on kokenut räjähdysmäisen kasvun markkinoilla kuten Intiassa, jossa myynti kasvoi 23‑kertaiseksi vuosien 2009–2022 välillä.

Lähde: Daikin

Yksi Daikinin kilpailuetuista on sen R32‑kylmäaine, jonka vaikutus ilmaston lämpenemiseen on paljon pienempi kuin kilpailijoiden.

Tämä tarkoittaa, että elektrokaloristen järjestelmien nousu saattaa lyhyellä aikavälillä muodostua uhkaksi yrityksen kilpailuasemalle.

Lähde: Daikin

Kuitenkin samaan aikaan se heijastaa yrityksen jo ennestään olemassa olevaa keskittymistä jäähdytysjärjestelmien ympäristövaikutuksiin ja innovaatiokykyyn (se investoi 300 M $ uuteen T&K‑keskukseen vuonna 2015) ja tekee siitä hyvän ehdokkaan näiden järjestelmien kaupalliseen skaalaamiseen.

Vahva merkki Daikinin sitoutumisesta ympäristöystävälliseen innovaatioon on maailmanlaajuinen vapaa pääsy R32‑peruspatenteihin vuodesta 2015 sekä vapaa pääsy kaikkiin ryhmäpatenteihin vuodesta 2011 alkaen, joka avattiin myös vuonna 2019.

3. NIBE Group

Sijoittajat, jotka ovat kiinnostuneita lämpöpumppujen ja elektrokaloristen järjestelmien tulevaisuudesta, saattavat haluta yrityksen, joka on täysin omistautunut alalle ilman muiden teknologioiden aiheuttamia häiriöitä ja riskejä.

Tässä tapauksessa he saattavat olla kiinnostuneita Nibestä, eurooppalaisesta lämpöpumppujen sekä puulämmitteisten takkojen (toinen hiilineutraali lämmönlähde) valmistajasta.

Yritys on alun perin kotoisin Ruotsista ja myy edelleen suurimman osan tuotteistaan pohjoisissa maissa sekä Euroopassa. Sillä oli 21 333 työntekijää vuonna 2022.

Lähde: Nibe

Yrityksen lämpöpumput ovat välttäneet 360 000 tonnin CO₂‑päästöt vain yhdessä vuodessa.

Keskittyneempänä yrityksenä Nibe on yhtä suuri kuin Daikin tai Carrier, kun tarkastellaan pelkkiä lämpöpumppuja.

Kun elektrokaloristen materiaalien tutkimus etenee maissa kuten Luxemburg ja Saksa, tämä voi avata tien eurooppalaisille yrityksille kuten Nibe, jotta ne voivat luoda etuoikeutettuja suhteita tutkijoihin ja olla ensimmäisten joukossa laajentamassa tarjontaansa kompressiopohjaisten lämpöpumppujen ulkopuolelle.