Desain Pompa Panas Baru Menghilangkan Refrigeran dengan Menggunakan Magnet

Meningkatkan Generasi Panas

Di antara semua permintaan energi yang mungkin, panas merupakan penggunaan akhir terbesar (termasuk, misalnya, listrik yang diubah menjadi panas). Jadi masuk akal bahwa dekarbonisasi hanya akan terjadi jika generasi panas dilakukan dengan cara yang paling ramah lingkungan, dan sangat efisien.

Hal ini masih jauh dari selesai, karena bahan bakar fosil menyumbang 63% penggunaan energi global untuk pemanasan terkait bangunan, hanya turun 4 poin persentase sejak 2010.

Sumber: IEA

Ini merupakan hambatan utama bagi skenario net-zero apa pun, memerlukan setidaknya upaya yang sama dengan mengalihkan metode transportasi individu ke kendaraan listrik.

Untuk saat ini, metode utama adalah beralih ke pompa panas, yang, alih-alih membakar sesuatu untuk menghasilkan panas, memindahkannya dari satu titik ke titik lain.

Meskipun mereka lebih efisien, pompa panas masih dapat ditingkatkan. Inilah yang sedang dikerjakan peneliti di Ames National (ATLO ) Laboratory (AS) dan Iowa State University, dengan jenis pompa panas baru yang disebut “pompa panas magnetokalorik”.

Mereka baru-baru ini menerbitkan hasil terbaru mereka di jurnal Applied Energy, dengan judul “Skalabel dan kompak teknologi pompa panas magnetokalorik¹”.

Bagaimana Pompa Panas Tradisional Bekerja?

Konsep kunci pompa panas adalah “menangkap” energi di satu tempat, dan membawanya ke tempat lain.

Biasanya, ia akan mengekstrak panas dari lingkungan sekitar rumah atau bangunan lain dan menyuntikkannya kembali ke dalam.

Karena tidak ada panas yang sebenarnya dihasilkan, hanya dipindahkan, pompa ini dapat menunjukkan tingkat efisiensi di atas 100% ketika diukur dalam Watt-jam (Wh) listrik yang dikonsumsi.

Sistem ini juga lebih serbaguna dibandingkan sistem pemanas tradisional, karena dapat beroperasi secara terbalik. Jadi dalam kebanyakan kasus, ia dapat berfungsi ganda sebagai pendinginan selama bulan-bulan musim panas.

Sumber: The Heat Pump Warehouse

Pompa panas tipikal menggunakan sistem kompresi gas untuk memindahkan panas, karena gas menyerap atau melepaskan panas ketika mereka dikompresi/dekompresi.

Kompresi gas adalah metode yang paling umum digunakan, karena merupakan teknologi yang sangat dikenal, bergantung pada katup, pipa, dan kompresor yang tidak jauh berbeda dari yang digunakan beberapa dekade lalu.

Namun, ini mungkin bukan desain pompa panas terbaik yang mungkin, dengan magnet menjadi pesaing kuat.

Jenis-Jenis Pompa Panas

Berbagai desain pompa panas berbeda dalam beberapa cara, termasuk di mana mereka mengekstrak energi, ke mana mereka mengirimnya, dan apakah mereka disesuaikan untuk iklim dingin atau tidak.

Sumber Energi

• Ground Source: Juga dikenal sebagai pompa panas geotermal, mereka memanfaatkan panas dari tanah dan dikenal karena efisiensinya yang tinggi.
• Air Source: Jenis yang paling umum, ini mengekstrak panas dari udara dan lebih mudah dipasang dibandingkan pompa sumber tanah.
• Water Source: Ini menggunakan sumber air terdekat seperti danau atau sumur untuk pertukaran panas.

Instalasi

• Ducted: Terintegrasi ke dalam saluran udara rumah, ini menyediakan pemanasan dan pendinginan terpusat.
• Mini-Split: Ideal untuk rumah tanpa saluran, ini memungkinkan kontrol suhu ruangan secara individual.

Iklim

• Cold Climate: Dirancang khusus untuk wilayah dengan musim dingin keras, pompa panas ini mempertahankan efisiensi bahkan pada suhu sangat rendah berkat fitur canggih seperti kompresor berkecepatan variabel.
• Normal Climate: Ideal untuk iklim sedang, ini adalah pompa panas standar yang cocok untuk kebutuhan pemanasan dan pendinginan tipikal.

Metode Transfer Panas

• Gas compression: Bekerja cukup baik, dengan teknologi sederhana yang sudah dikenal.
• Magnets: Subset dari pompa panas kalorik “solid-state” yang lebih besar, yang tidak memerlukan pendingin.

Teknologi Pompa Panas Magnetokalorik (MCHP)

MCHP menggunakan prinsip efek magnetokalorik, yaitu pendinginan atau pemanasan material magnetik dengan variasi medan magnet yang diterapkan secara eksternal.

Sumber: DST

Secara teori, ini dapat menjadi sistem yang jauh lebih baik, karena menghilangkan kebutuhan akan material refrigeran, yang umumnya beracun dan/atau berbahaya bagi lingkungan, sering kali bocor dari pompa panas tradisional, terutama ketika peralatan menjadi lebih tua.

Selama bertahun‑tahun, banyak desain berbeda untuk pompa panas magnetokalorik telah diusulkan menggunakan berbagai konfigurasi:

• Berbagai kekuatan medan magnet.
• Berbagai material magnetokalorik, seperti gadolinium murni, paduan gadolinium, dan paduan LaFeSi (lanthanum-iron-silikon).
• Berbagai bentuk material magnetokalorik.

Sistem-sistem ini telah menunjukkan efisiensi lebih tinggi daripada sistem kompresi uap terbaik. Rentang suhu dan daya termal mereka juga cocok.

Namun, belum terbukti bahwa sistem ini dapat menyamai pompa panas tradisional dalam hal biaya, massa, dan ukuran, semua pertimbangan penting untuk potensi keberhasilan komersial.

Kinerja Variabel

Para peneliti mengukur kepadatan daya sistem (SPD) dari berbagai desain MCHP yang diusulkan, yaitu daya termal dalam watt dibagi massa perangkat dalam kg.

Literatur ilmiah yang ada menunjukkan variasi luas SPD, berkisar antara ∼1 hingga 40 W/kg.

Menariknya, dua desain dengan SPD tertinggi memiliki pendekatan yang sepenuhnya berbeda: satu menggunakan medan magnet tinggi pada frekuensi tinggi, dan satu lagi menggunakan medan rendah pada frekuensi rendah. Jadi kemungkinan ada beberapa pendekatan yang masing‑masing secara teknis layak.

Bersaing dengan Kompresor

Para peneliti telah menyelidiki berbagai cara untuk meningkatkan SPD, sebuah bidang penelitian yang selama ini diabaikan, dengan efisiensi absolut dan lebih menjadi fokus peneliti ilmu material.

Namun, SPD kemungkinan akan menjadi faktor terpenting untuk adopsi massal pompa panas semacam ini, karena tidak ada pengguna akhir, baik konsumen maupun pembangun, yang akan menerima pompa panas sebesar ruangan penuh atau terlalu berat untuk ditangani dengan mudah.

Mereka menggunakan berbagai metode:

• Variasi pada paduan magnetik yang digunakan:
  • Daya per massa adalah 374 W/kg untuk gadolinium murni.
  • Itu adalah 854 W/kg untuk material berbasis LaFeSi.
• Berbagai desain material magnetik, dari pelat hingga manik.
• Berbagai impuls magnetik, bervariasi dalam frekuensi dan intensitas.

Melalui pengujian sistematis ini, para peneliti menemukan bahwa dari baseline teknis 5,9 W/kg, sistem MCHP dapat ditingkatkan hingga 81,3 W/kg, atau hampir 14 kali peningkatan kepadatan daya sistem.

Dari temuan ini, tampaknya MCHP dapat hampir menyamai SPD beberapa pompa panas berbasis kompresor yang saat ini digunakan, terutama untuk daya pendinginan rendah atau sedang (< 200 W).

Perusahaan Pompa Panas Magnetokalorik

Perusahaan berikut belum tampak terdaftar secara publik namun saat ini menjual MCHP. Namun bidang ini sangat aktif dengan banyak startup, sering kali spin‑off dari penelitian mutakhir yang dilakukan di universitas terkemuka. Misalnya:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, adalah anak perusahaan dari HYDAC Group (juga milik pribadi).
• Camfridge

Jadi, meskipun tidak mudah diakses, ini dapat menjadi ide menarik bagi orang yang merupakan investor terakreditasi dan memiliki akses ke investasi semacam itu.

Perusahaan Gadolinium

Gadolinium adalah logam tanah jarang, dan 97% produksi global (gadolinium dioksida) diproduksi oleh China.

Menariknya, logam ini saat ini memiliki sedikit aplikasi selain penggunaan khusus seperti penyerapan neutron di beberapa reaktor nuklir atau agen kontras magnetik untuk MRI, sehingga menjadi sumber yang sempurna untuk dimanfaatkan alih‑alih refrigeran yang mencemari yang saat ini digunakan dalam pompa panas.

Seiring ketegangan perdagangan antara AS & China terus meningkat sejak kepresidenan Trump pertama, kemungkinan besar investor Barat yang bersedia bertaruh pada logam tanah jarang, termasuk gadolinium, akan lebih memilih sumber alternatif.

Perusahaan potensial semacam itu adalah Neo Materials.

Neo Materials mengkhususkan diri dalam produksi logam tanah jarang dan material kritis. Ini mencakup gadolinium, tetapi juga logam tanah jarang dan material kritis lainnya, seperti hafnium, niobium, gallium, dan magnet tanah jarang.

Sumber: Neo Materials

Semua produk ini penting untuk memproduksi semikonduktor, magnet turbin angin, kendaraan listrik, dll. Dan dalam kebanyakan kasus, dipasok 90‑99% oleh China.

Perusahaan memperoleh sebagian besar pendapatannya dari “Magnequench”: bubuk magnetik neodymium-iron-boron (NdFeB) dan magnet yang digunakan dalam motor listrik (termasuk EV).

Yang terbesar kedua berasal dari Kimia & Oksida yang digunakan dalam katalis petroleum dan kimia, hibrida dan EV, pemurnian air, tampilan berefisiensi tinggi, lensa optik, elektronik konsumen, dll.

Sumber: Neo Materials

Pendapatan Neo juga sangat terdiversifikasi secara geografis, menjadikannya lebih aman dari gejolak geopolitik dibandingkan kebanyakan perusahaan di sektor ini. Ia memproduksi beberapa produk di China dan bahkan menjadikan AsiaMag, akuisisi tahun 2019, sebagai salah satu dari 5 pembuat magnet terikat terbesar di China dengan meningkatkan volume penjualannya 5 kali lipat.

Namun perusahaan juga mendiversifikasi risiko geografisnya. Misalnya, perusahaan akan membangun di UE (Estonia) pabrik magnet sinter pertama di luar China untuk EV, dengan produksi pertama diperkirakan pada 2025.

Sumber: Neo Materials

Secara keseluruhan, Neo Materials memiliki kehadiran paling terintegrasi dalam rantai nilai magnet permanen dan logam tanah jarang di luar China, dengan hanya menambang bijih mentah yang tidak terintegrasi secara vertikal.

Perusahaan juga memiliki lebih banyak gelar lanjutan logam tanah jarang dan ahli teknis di seluruh produk magnetik logam tanah jarang dibandingkan perusahaan lain di luar China atau Jepang. Bahkan di Jepang, ia dapat mengalahkan pesaing lokal untuk menandatangani kontrak dengan perusahaan seperti Honda atau Daido Steel.

Sumber: Neo Materials

Kehadiran kuat ini dalam material yang penting untuk transisi hijau, serta banyak aplikasi teknologi tinggi dari manufaktur semikonduktor hingga paduan khusus dan katalis, menjadikan Neo pilihan saham yang baik bagi investor yang mencari eksposur ke sektor ini, dengan potensi kenaikan jika perang dagang memburuk.

Referensi Studi:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Tinjauan komprehensif tentang penerapan pembelajaran mesin dalam sistem energi terbarukan. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}