Uudet lämpöpumppujen suunnitelmat korvaavat jäähdytysnesteet magneeteilla

Lämmöntuotannon Parantaminen

Kaikkien mahdollisten energian kysyntöjen joukossa lämpö on suurin lopullinen käyttö (esimerkiksi sähkö, joka muutetaan lämmöksi). Siksi on järkevää, että hiilineutraalius toteutuu vain, jos lämmöntuotanto tehdään mahdollisimman vihreällä tavalla ja erittäin tehokkaasti.

Tämä on kaukana valmiista, sillä fossiiliset polttoaineet muodostavat 63 % maailmanlaajuisesta rakennusten lämmitykseen käytetystä energiasta, mikä on vain 4 prosenttiyksikön lasku vuodesta 2010.

Lähde: IEA

Tämä on merkittävä este mille tahansa nettonollatavoitteelle, vaatien vähintään yhtä paljon ponnisteluja kuin yksittäisten liikennemuotojen siirtäminen sähköautoihin.

Toistaiseksi pääasiallinen menetelmä on ollut siirtyä lämpöpumppuihin, jotka sen sijaan, että polttaisivat jotain lämmön tuottamiseksi, siirtävät lämpöä paikasta toiseen.

Vaikka ne ovatkin tehokkaampia, lämpöpumppuja voidaan edelleen parantaa. Tämä on se, mitä Amesin kansallisessa laboratoriossa (USA) ja Iowa State Universityssa työskentelevät tutkijat kehittävät, uudenlaisen lämpöpumpun nimeltä “magnetokalorinen lämpöpumppu”.

He ovat äskettäin julkaisseet viimeisimmät tuloksensa Applied Energy -lehdessä otsikolla “Skaalautuva ja kompaktinen magnetokalorinen lämpöpumpputeknologia¹“.

Miten perinteiset lämpöpumput toimivat?

Lämpöpumpun keskeinen käsite on “napata” energia yhdestä paikasta ja kuljettaa se toiseen.

Tyypillisesti se poimii lämpöä talon tai muiden rakennusten ympäristöstä ja syöttää sen takaisin sisälle.

Koska lämpöä ei itse asiassa tuoteta, vaan ainoastaan siirretään, se voi saavuttaa yli 100 % tehokkuusasteen, kun mittaa kulutettua sähköenergiaa watttitunneissa (Wh).

Tämä järjestelmä on myös monipuolisempi kuin perinteinen lämmitysjärjestelmä, koska se voi toimia myös käänteisesti. Useimmissa tapauksissa se voi toimia myös jäähdytyksenä kesäkuukausina.

Lähde: The Heat Pump Warehouse

Tyypillinen lämpöpumppu käyttää kaasunpuristuksen järjestelmää lämmön siirtämiseen, sillä kaasut absorboivat tai vapauttavat lämpöä puristuksen ja purkauksen aikana.

Kaasunpuristus on yleisimmin käytetty menetelmä, koska se on hyvin tunnettu teknologia, joka perustuu venttiileihin, putkiin ja kompressoreihin, jotka eivät poikkea merkittävästi vuosikymmeniä sitten käytetyistä.

Tämä ei kuitenkaan välttämättä ole paras mahdollinen lämpöpumpun suunnittelu, sillä magneetti nousee vahvaksi kilpailijaksi.

Lämpöpumppujen Tyypit

Erilaiset lämpöpumppujen suunnitelmat eroavat monin tavoin, mukaan lukien mistä ne poimivat energian, mihin ne lähettävät sen, ja ovatko ne sovitettu kylmiin ilmastoihin vai eivät.

Energialähteet

• Maa-energia: Myös tunnettu nimellä geotermiset lämpöpumput, ne hyödyntävät maasta saatavaa lämpöä ja ovat tunnettuja korkeasta tehokkuudestaan.
• Ilma-energia: Yleisin tyyppi, ne poimivat lämpöä ilmasta ja ovat helpompi asentaa kuin maaperäpumput.
• Vesi-energia: Nämä käyttävät lähellä olevia vesilähteitä, kuten järviä tai kaivoja, lämmönvaihtoon.

Asennus

• Kanavointi: Integroitu kodin ilmanvaihtojärjestelmään, nämä tarjoavat keskitetyn lämmityksen ja jäähdytyksen.
• Mini-split: Ideaali koteihin ilman kanavia, mahdollistaa yksilöllisen huoneen lämpötilan ohjauksen.

Ilmasto

• Kylmä ilmasto: Erityisesti suunniteltu alueille, joilla on ankaria talvia; nämä lämpöpumput säilyttävät tehokkuuden myös erittäin kylmissä lämpötiloissa kehittyneiden ominaisuuksien, kuten muuttuvan nopeuden kompressoreiden, ansiosta.
• Normaali ilmasto: Ideaali kohtuullisiin ilmastoihin, nämä ovat tavallisia lämpöpumppuja, jotka sopivat tyypillisiin lämmitys- ja jäähdytystarpeisiin.

Lämmönsiirtomenetelmä

• Kaasunpuristus: Toimii kohtuullisen hyvin, yksinkertaisella, tunnetulla tekniikalla.
• Magneetit: Osajoukko laajemmasta “kiinteätilan” kalorisen lämpöpumpun ryhmästä, joka ei vaadi jäähdytysnestettä.

Magnetokalorinen Lämpöpumppu (MCHP) -tekniikka

Magnetokalorinen lämpöpumppu (MCHP) hyödyntää magnetokaloristen vaikutusten periaatteita, eli magneettisten materiaalien jäähdytys- tai lämmitysprosesseja ulkoisesti sovelletun magneettikentän vaihtelun avulla.

Lähde: DST

Teoriassa tämä voi olla paljon parempi järjestelmä, koska se poistaa jäähdytysnesteiden tarpeen, jotka ovat yleensä myrkyllisiä ja/tai ympäristölle haitallisia, ja usein vuotavat perinteisistä lämpöpumpuista, erityisesti kun laitteet vanhenevat.

Vuosien varrella on ehdotettu monia erilaisia magnetokalorisia lämpöpumppujen suunnitelmia käyttäen erilaisia kokoonpanoja:

• Eri magneettikenttien voimakkuudet.
• Eri magnetokalorisia materiaaleja, kuten puhdas gadoliini, gadoliiniseokset ja LaFeSi-seokset (lantaani-rauta-silika).
• Eri muotoja magnetokaloriselle materiaalille.

Nämä järjestelmät ovat osoittaneet tehokkuuden, joka ylittää parhaat höyrypuristuksen järjestelmät. Niiden lämpötila-alue ja terminen teho olivat myös hyvin yhteensopivia.

Kuitenkin on vielä osoitettava, että nämä järjestelmät voivat vastata perinteisiä lämpöpumppuja kustannusten, massan ja koon osalta, mikä on tärkeä tekijä mahdollisen kaupallisen menestyksen kannalta.

Muuttuva Suorituskyky

Tutkijat mittasivat eri MCHP-suunnitelmien järjestelmätehotiheyttä (SPD), eli termistä tehoa wateissa jaettuna laitteen massalla kilogrammoina.

Nykyinen tieteellinen kirjallisuus osoittaa laajan SPD-alueen, joka vaihtelee noin 1–40 W/kg.

Mielenkiintoista on, että kahdessa korkeimman SPD:n suunnitelmassa oli täysin erilaiset lähestymistavat: toinen käytti voimakkaita magneettikenttiä korkeilla taajuuksilla, ja toinen matalia kenttiä matalilla taajuuksilla. Näin ollen on todennäköisesti useita teknisesti toteuttamiskelpoisia lähestymistapoja.

Kilpaileminen Kompressoreiden Kanssa

Tutkijat ovat tutkineet useita tapoja nostaa SPD:tä, tutkimusalue, jota tähän mennessä on laiminlyöty, keskittyen absoluuttiseen tehokkuuteen ja materiaalitieteen tutkijoiden kiinnostukseen.

Kuitenkin SPD on todennäköisesti tärkein tekijä tällaisten lämpöpumppujen laajamittaisessa omaksumisessa, sillä kukaan loppukäyttäjä, niin kuluttajat kuin rakennuttajat, eivät hyväksy lämpöpumppuja, jotka ovat koko huoneen kokoisia tai liian raskaita käsiteltäviksi.

He käyttivät erilaisia menetelmiä:

• Magneettiseoksen vaihtelu:
  • Teho per massa oli 374 W/kg puhtaalle gadoliinille.
  • Se oli 854 W/kg LaFeSi-pohjaisille materiaaleille.
• Eri magneettimateriaalien suunnitelmat, levyistä helmiin.
• Eri magneettiset impulssit, jotka vaihtelevat taajuudessa ja intensiteetissä.

Tämän systemaattisen testauksen avulla tutkijat havaitsivat, että teknisestä peruslähtökohdasta 5,9 W/kg MCHP-järjestelmiä voidaan nostaa jopa 81,3 W/kg:iin, mikä on lähes 14‑kertainen nousu järjestelmätehotiheydessä.

Näiden tulosten perusteella MCHP:t voivat lähes saavuttaa SPD:n, joka vastaa joitakin nykyisiä kompressoreihin perustuvia lämpöpumppuja, erityisesti matalille tai keskitasoisille jäähdytystehoille (< 200 W).

Magnetokaloriset Lämpöpumppuyritykset

Seuraava ei vaikuta olevan julkisesti noteerattu yritys, joka myy MCHP:ta. Se on kuitenkin erittäin aktiivinen ala, jossa on monia startup-yrityksiä, usein huippuyliopistoissa tehdyn huippututkimuksen spin-offeja. Esimerkiksi:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, on saksalaisen HYDAC Group tytäryhtiö (myös yksityisomistuksessa).
• Camfridge

Joten, vaikka ei ole helposti saatavilla, se voi olla kiinnostava vaihtoehto akkreditoituneille sijoittajille, joilla on pääsy tällaisiin sijoituksiin.

Gadoliiniyritys

Gadoliini on harvinaista maametallia, ja 97 % maailmanlaajuisesta tuotannosta (gadoliinidioksidi) tuotetaan Kiinassa.

Mielenkiintoista on, että metalli on tällä hetkellä vähäisessä käytössä lukuun ottamatta erikoissovelluksia, kuten neutronien absorptio joissakin ydinreaktoreissa tai magneettiset kontrastiaineet MRI:ssä, ja se olisi siksi täydellinen resurssi korvaamaan lämpöpumpuissa käytettävät saastuttavat jäähdytysnesteet.

Kuten Yhdysvaltojen ja Kiinan välinen kauppajännite on jatkuvasti kasvanut Trumpin ensimmäisen presidenttikauden jälkeen, on todennäköistä, että kaikki länsimaiset sijoittajat, jotka ovat valmiita panostamaan harvinaisiin maametalleihin, mukaan lukien gadoliini, suosivat vaihtoehtoisia lähteitä.

Tällainen potentiaalinen yritys on Neo Materials.

Neo Materials erikoistuu harvinaisten maametallien ja kriittisten materiaalien tuotantoon. Tämä sisältää gadoliinin, mutta myös muita tällä hetkellä kriittisiä harvinaisia maametalleja ja materiaaleja, kuten hafniumin, niobiumin, galliumin ja harvinaismagneetit.

Lähde: Neo Materials

Näiden tuotteiden kaikki ovat kriittisiä puolijohteiden, tuuliturbiinien magneettien, sähköautojen jne. valmistuksessa. Useimmissa tapauksissa ne toimitetaan 90–99 % Kiinasta.

Yritys saa suurimman osan tuloistaan “Magnequench”: neodyymi-rauta-boori (NdFeB) magneettijauheista ja magneeteista, joita käytetään sähkömoottoreissa (mukaan lukien sähköautot).

Toiseksi suurin tulonlähde tulee kemikaaleista ja oksideista, joita käytetään öljy- ja kemiallisissa katalyyseissä, hybrideissä ja sähköautoissa, vedenpuhdistuksessa, korkean tehokkuuden näytöissä, optisissa linsseissä, kuluttajaelektroniikassa jne.

Lähde: Neo Materials

Neon tulot ovat myös erittäin maantieteellisesti hajautettuja, mikä tekee siitä turvallisemman geopoliittisten myrskyjen suhteen kuin useimmat alan yritykset. Se valmistaa joitakin tuotteita Kiinassa ja on jopa nostanut AsiaMagin, vuoden 2019 hankinnan, Kiinan viiden suurimman sidottujen magneettien valmistajan joukkoon kasvattamalla myyntivolyymia viidelläkertaisesti.

Mutta se myös hajauttaa maantieteellistä riskiään. Esimerkiksi yritys aikoo merkittävänä hankkeena rakentaa EU:ssa (Viro) ensimmäisen Kiinan ulkopuolisen sintröidyn magneettitehtaan sähköautoja varten, jonka ensimmäisen tuotannon odotetaan alkavan vuonna 2025.

Lähde: Neo Materials

Kaiken kaikkiaan Neo Materialsilla on Kiinan ulkopuolella kaikkein integroiduin läsnäolo pysyvien magneettien ja harvinaisten maametallien arvoketjussa, lukuun ottamatta raudan louhintaa, joka ei ole pystysuunnassa integroitua.

Yrityksellä on myös enemmän harvinaisten maametallien jatko-opintoja ja teknisiä asiantuntijoita harvinaismagneettituotteiden alalla kuin millään muulla Kiinan tai Japanin ulkopuolisella yrityksellä. Ja jopa Japanissa se pystyy voittamaan paikalliset kilpailijat solmimaan sopimuksia yritysten kuten Hondan tai Daido Steelin kanssa.

Lähde: Neo Materials

Tämä vahva läsnäolo materiaaleissa, jotka ovat kriittisiä vihreän siirtymän kannalta, sekä monissa korkean teknologian sovelluksissa puolijohteiden valmistuksesta erikoisseoksiin ja katalyyttien valmistukseen, tekee Neosta hyvän osakevalinnan sijoittajille, jotka etsivät altistusta alalle, mahdollisella nousulla, jos kauppasodat pahenevat.

Tutkimusviite:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Kattava katsaus koneoppimisen sovelluksiin uusiutuvissa energiajärjestelmissä. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798} (ATLO )