Meningkatkan Solusi HVAC dengan Material Elektrokalorik

Permintaan Energi Besar dari 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. It represents more than half of the world’s total energy consumption, ahead of electricity (20%) and transport (30%).

Jadi mungkin bahkan lebih penting daripada kendaraan listrik, mengaliri listrik HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) dan membuatnya lebih efisien sangat penting dalam mengurangi konsumsi energi dan emisi karbon. Terutama karena permintaan hanya untuk pendinginan diperkirakan akan tiga kali lipat pada tahun 2050 akibat perkembangan ekonomi di negara beriklim hangat dengan populasi besar seperti India dan Indonesia.

Sumber: Daikin

Sampai saat ini, teknologi yang diutamakan untuk mencapai HVAC berefisiensi tinggi adalah pompa panas yang menggunakan pendinginan kompresi.

Sebuah teknologi baru kini muncul untuk menantang status quo, berdasarkan prinsip fisik yang disebut “pendinginan elektrokalorik”.

Bagaimana Pompa Panas Bekerja

All heat pumps, from compression heat pumps to future electrocaloric heat pumps, function on a basic principle: moving heat instead of generating it.

Ini merupakan prinsip yang sangat berbeda dari sistem pemanas berbasis bahan bakar fosil dan sistem pemanas listrik lainnya, di mana listrik atau gas/batu bara/minyak dikonsumsi untuk menghasilkan panas.

Sebaliknya, pompa panas mengambil panas dari satu sisi dinding dan memindahkannya ke sisi lainnya. Pada musim dingin, ia menyerap panas dari luar dan mengirimkannya ke dalam bangunan. Pada musim panas, proses ini dibalik untuk mendinginkan bangunan dan berfungsi seperti pendingin udara.

Memindahkan panas jauh lebih efisien daripada menghasilkan panas. Hal ini memungkinkan pompa panas berbasis kompresi menghasilkan 2-4W panas/dingin untuk setiap 1W daya yang dikonsumsi.

Sumber: RMI

Panas bergerak masuk dan keluar dari lingkungan, dengan dua opsi utama yaitu menggunakan udara luar atau tanah di sekitarnya melalui pipa bawah tanah.

Pompa panas paling sering digunakan untuk memanaskan dan mendinginkan bangunan seperti kantor, ruang komersial, dan rumah. Namun, ia juga dapat digunakan dalam lingkungan industri, memanfaatkan kembali sumber energi dari satu proses industri ke proses lainnya, yang juga menghasilkan penghematan energi besar.

Sumber: Sintef

Pompa Panas Elektrokalorik untuk Melampaui Kompresi

Kemajuan dalam Teknologi Elektrokalorik

Traditional heat pumps use the thermal effect of compression & decompression to move the heat from one point to another. This requires refrigerant agents like hydrofluorocarbons or ammonia which have either direct or indirect greenhouse effects on the climate.

Pompa panas tradisional menggunakan efek termal dari kompresi & dekompresi untuk memindahkan panas dari satu titik ke titik lain. Hal ini memerlukan agen refrigeran seperti hidrofluorokarbon atau amonia yang memiliki efek rumah kaca langsung atau tidak langsung pada iklim.

Prinsip elektrokalorik berbeda. Sistem elektrokalorik memanas ketika terpapar medan listrik, karena menyebabkan atom-atom berorientasi ke satu arah, mengurangi entropi. Sebaliknya, pendinginan terjadi ketika medan listrik dihentikan.

Sumber: Fraunhofer IPM

Efek elektrokalorik telah dikenal sejak tahun 1960-an, namun pada saat itu, perbedaan suhu tertinggi yang dapat dicapai hanya 2,5°C.

Beberapa kemajuan dibuat pada tahun 2006 ketika lapisan tipis timbal-titanium-oksigen-zirkonium mencapai kapasitas pendinginan 12°C.

Namun, terobosan terbaru hampir 21°C perubahan suhu, yang dicapai oleh peneliti Luxembourg Institute of Science and Technology in Belvaux, menunjukkan bahwa teknologi ini menjadi cukup kuat untuk aplikasi komersial.

Prototipe Elektrokalorik

The team used a polymer and lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).

Sumber: UPCommons

Peneliti Luxembourg telah menciptakan prototipe yang mencapai pendinginan maksimum ketika berada di bawah 10V per mikrometer daya, menghasilkan pendinginan maksimum sebesar 4,2W.

Sumber: Techspot

Ini merupakan peningkatan radikal dibandingkan semua metode yang sebelumnya dikembangkan, dengan rentang suhu dan daya pendinginan masing‑masing 50 % dan 15 kali lebih besar daripada perangkat elektrokalorik terbaik sebelumnya.

Hal ini menempatkan prototipe jauh di depan semua konsep elektrokalorik yang pernah diuji sebelumnya.

Sumber: UPCommons

Sumber: UPCommons

Material ini juga diuji pada siklus pemanasan dan pendinginan berulang dan tidak menunjukkan tanda‑tanda degradasi.

Di antara banyak keunggulan sistem elektrokalorik adalah penggunaan listrik secara langsung membuat pendingin EC kompak dalam volume dan cocok untuk miniaturisasi. Jadi, selain pompa panas masa depan, itu juga dapat digunakan dalam elektronik kecil dan baterai.

Ia juga memiliki efisiensi yang sangat tinggi, berpotensi jauh lebih tinggi daripada yang dapat dicapai oleh sistem pompa panas kompresi.

Perbaikan Lebih Lanjut

Penelitian yang dipublikasikan dalam jurnal Science describes a prototype. Some further improvements are discussed as well.

Beberapa perbaikan lebih lanjut juga dibahas.

Sebagai contoh, prototipe saat ini menggunakan cairan dielektrik alih‑alih air untuk mencegah hubung singkat. Namun, cairan dielektrik ini memiliki sifat termal yang buruk dibandingkan air.

Jadi, mengembangkan kapasitor multi‑lapis tahan air (MLC) dapat secara signifikan meningkatkan kecepatan dan kapasitas pendinginan sistem.

Meningkatkan jumlah dan kepadatan MLC juga dapat menghasilkan potensi pendinginan yang lebih besar.

Akhirnya, modul elektrokalorik yang lebih tipis dan lebih datar akan membantu, dan belum jelas apakah penerapan medan listrik yang lebih tinggi memungkinkan dan aman.

Perusahaan Pompa Panas Canggih

There is currently no company commercializing electrocaloric heat pumps or cooling systems. It is still very much an academic and applied physics field.

Namun, kemungkinan besar kini teknologi berkembang pada tingkat efisiensi yang membuat komersialisasi layak, institusi riset ini akan mencari cara memonetisasi paten mereka.

Jadi, menarik untuk melihat pemimpin dalam industri pompa panas yang dapat memperoleh manfaat dari lisensi IP untuk perangkat elektrokalorik.

Kemungkinan juga bahwa penciptaan sistem elektrokalorik kelas komersial dan distribusinya ke pengguna akhir akan menjadi proses yang sangat intensif modal, menguntungkan aktor terbesar dalam industri.

1. Carrier Global

Carrier adalah pemimpin dalam HVAC (komersial dan residensial), rantai dingin, dan kebakaran & keamanan, dengan lebih dari 58.000 karyawan. Meskipun tidak hanya menjual pompa panas, ini adalah kategori produk yang menjadi fokus perusahaan dan yang dianggapnya sebagai masa depan industri.

Perusahaan ini sebagian besar berfokus pada Amerika, dengan HVAC menyumbang lebih dari setengah penjualannya.

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

Ia memiliki basis terpasang lebih dari 330.000 HVAC komersial, 33 juta HVAC residensial, 1,8 juta peralatan refrigerasi, dan lebih dari 90 juta sistem kebakaran dan keamanan.

Perusahaan ini bertekad untuk secara drastis mengurangi emisi gas rumah kaca (GHG)nya pada tahun 2030.

Mengingat banyak dari emisi ini berasal dari pendingin amonia, kemungkinan beralih ke sistem elektrokalorik di masa depan menawarkan industri jalur ke depan di mana satu‑satunya emisinya terkait dengan konsumsi energi dan penambangan logam, yang akan didukung oleh energi terbarukan.

Sumber: Carrier Global

2. Daikin Industry

The Japanese company founded in 1924 can claim to be the world’s number 1 air conditioning company.

Perusahaan Jepang yang didirikan pada tahun 1924 dapat mengklaim menjadi perusahaan pendingin udara nomor 1 di dunia.

Perusahaan ini telah aktif di bidang pompa panas sejak 2006 dan sejak 2008 menjalin aliansi bisnis dengan Gree Electric Appliance, produsen pendingin udara terkemuka di China.

Produknya sebagian besar dijual di Amerika, Eropa, dan Asia Timur, namun juga mengalami pertumbuhan eksplosif di pasar seperti India, dengan peningkatan penjualan 23 kali lipat antara 2009 dan 2022.

Sumber: Daikin

Salah satu keunggulan kompetitif Daikin adalah pendingin R32, yang memiliki dampak jauh lebih rendah terhadap pemanasan global dibandingkan pesaingnya.

Ini berarti bahwa munculnya sistem elektrokalorik mungkin dalam jangka pendek menjadi ancaman bagi posisi kompetitif perusahaan.

Sumber: Daikin

Namun pada saat yang sama, hal ini mencerminkan fokus perusahaan yang sudah ada sebelumnya pada dampak lingkungan sistem pendingin dan kapasitas inovasinya (perusahaan menginvestasikan $300 juta dalam pusat R&D baru pada tahun 2015) dan menjadikannya kandidat yang baik untuk mengembangkan sistem ini pada skala komersial.

Indikasi kuat dedikasi Daikin terhadap inovasi ramah lingkungan adalah akses gratis secara global ke paten dasar untuk R32 sejak 2015 dan akses gratis pada tahun 2019 ke semua paten grup sejak 2011.

3. NIBE Group

Investors interested in the prospect of heat pumps and electrocaloric systems might want a company fully dedicated to the sector, without the distractions and risks associated with other technologies.

Investor yang tertarik pada prospek pompa panas dan sistem elektrokalorik mungkin menginginkan perusahaan yang sepenuhnya didedikasikan untuk sektor ini, tanpa gangguan dan risiko yang terkait dengan teknologi lain.

Dalam hal ini, mereka mungkin tertarik pada Nibe, produsen Eropa pompa panas, serta kompor kayu (sumber panas karbon‑netral lainnya).

Perusahaan ini berasal dari Swedia dan masih melakukan sebagian besar penjualannya di negara‑negara Nordik, serta Eropa. Pada tahun 2022 perusahaan memiliki 21.333 karyawan.

Sumber: Nibe

Pompa panas perusahaan ini telah menghindari emisi sebesar 360.000 ton CO2 dalam satu tahun saja.

Sebagai perusahaan yang lebih terfokus, Nibe sebesar Daikin atau Carrier dalam hal pompa panas saja.

Dengan penelitian tentang material elektrokalorik yang maju di negara‑negara seperti Luxembourg dan Jerman, hal ini dapat membuka jalan bagi perusahaan Eropa seperti Nibe untuk menjalin hubungan istimewa dengan peneliti dan menjadi salah satu yang pertama memperluas penawaran mereka di luar pompa panas berbasis kompresi.