New Heat Pump Designs Do Away with Refrigerants in Lieu of Magnets

שיפור ייצור חום

בין כל הדרישות האפשריות לאנרגיה, חום הוא השימוש הסופי הגבוה ביותר (כולל, למשל, חשמל שהומר לחום). אז הגיוני ששחרור פחמן יתרחש רק אם ייצור החום ייעשה בצורה הכי ירוקה שאפשר, וביעילות רבה.

זה רחוק מלעשות, שכן דלקים מאובנים מהווים 63% מצריכת האנרגיה העולמית לחימום הקשור לבניינים, ירידה של 4 נקודות אחוז בלבד מאז 2010.

מקור: IEA

זהו מכשול גדול לכל תרחיש של אפס נטו, הדורש לפחות מאמץ רב כמו החלפת שיטות תחבורה בודדות לרכבי רכב חשמליים.

נכון לעכשיו, השיטה העיקרית היא פנייה למשאבות חום, שבמקום לשרוף דברים להפקת חום, מעבירות אותו מנקודה אחת לאחרת.

גם אם הן יעילות יותר, ניתן עדיין לשפר משאבות חום. על זה עובדים חוקרים במעבדה הלאומית של איימס (ארה"ב) ובאוניברסיטת איווה סטייט, עם סוג חדש של משאבת חום הנקראת "משאבת חום מגנטו-קלורית".

לאחרונה הם פרסמו את התוצאות האחרונות שלהם בכתב העת Applied Energy, תחת הכותרת "טכנולוגיית משאבת חום מגנטו-קלורית ניתנת להרחבה וקומפקטית¹".

כיצד פועלות משאבות ערימה מסורתיות?

הרעיון המרכזי של משאבת חום הוא "לתפוס" אנרגיה במקום אחד, ולהוביל אותה למקום אחר.

בדרך כלל, הוא יחלץ חום מהסביבה סביב בית או מבנים אחרים ויזריק אותו בחזרה פנימה.

מכיוון שלמעשה לא נוצר חום, רק מועבר, הוא יכול להציג שיעורי יעילות מעל 100% כאשר הוא נמדד בוואט-שעה (Wh) של חשמל שנצרך.

מערכת זו היא גם יותר רב ערכית ממערכת חימום מסורתית, שכן היא יכולה לעבוד גם הפוך. אז ברוב המקרים, זה יכול להכפיל כקירור גם במהלך חודשי הקיץ.

מקור: מחסן משאבות החום

משאבת החום הטיפוסית משתמשת במערכת של דחיסת גז כדי להזיז את החום, שכן גזים סופגים או משחררים חום כאשר הם נדחסים/פורקים.

דחיסת גז היא השיטה הנפוצה ביותר, מכיוון שהיא טכנולוגיה מוכרת מאוד, הנשענת על שסתומים, צינורות ומדחסים שאינם שונים כל כך מזו שהשתמשו בה לפני עשרות שנים.

עם זאת, ייתכן שזה לא העיצוב הטוב ביותר של משאבת חום, כאשר מגנט הופך למתמודד חזק.

סוגי משאבות חום

עיצובים שונים של משאבות חום שונים בכמה דרכים, כולל לאן הם שואבים את האנרגיה, לאן הם שולחים אותה, והאם הם מותאמים לאקלים קר או לא.

Eמקורות nergy

• מקור קרקע: ידועות גם בשם משאבות חום גיאותרמיות, הן רותמות את החום מהקרקע וידעות ביעילותן הגבוהה.
• מקור אוויר: הסוג הנפוץ ביותר, אלה שואבים חום מהאוויר וקל יותר להתקנה מאשר משאבות מקור קרקע.
• מקור מים: אלה משתמשים במקורות מים סמוכים כמו אגמים או בארות לחילופי חום.

הַתקָנָה

• צינור: משולבים בצינורות הבית, אלה מספקים חימום וקירור מרכזי.
• מיני-פיצול: אידיאלי לבתים ללא תעלות, אלה מאפשרים שליטה אישית בטמפרטורות החדר.

אַקלִים

• אקלים קר: משאבות חום אלו תוכננו במיוחד לאזורים עם חורפים קשים, שומרות על יעילות גם בטמפרטורות קרות במיוחד בשל תכונות מתקדמות כמו מדחסים בעלי מהירות משתנה.
• אקלים רגיל: אידיאליות לאקלים מתון, אלו משאבות חום סטנדרטיות המתאימות לצרכי חימום וקירור טיפוסיים.

שיטת העברת חום

• דחיסת גז: עובד בצורה סבירה, עם טכנולוגיה פשוטה ומוכרת.
• מגנטים: תת-קבוצה של משאבת החום הקלורית הגדולה "מצב מוצק", שאינה דורשת נוזל קירור.

טכנולוגיית משאבת חום מגנטו-קלורית (MCHP).

MCHP משתמש בעקרונות של השפעות מגנטו-קלוריות, או קירור או חימום של חומרים מגנטיים עם וריאציה של שדה מגנטי המופעל חיצונית.

מקור: STD

בתיאוריה, זו יכולה להיות מערכת הרבה יותר טובה, שכן היא מסירה את הצורך בחומרי קירור, שהם בדרך כלל רעילים ו/או מזיקים לסביבה, ולעתים קרובות מאוד דולפים ממשאבות חום מסורתיות, במיוחד כאשר הציוד מזדקן.

במהלך השנים, הרבה עיצובים שונים עבור משאבות חום מגנטו-קלוריות הוצעו תוך שימוש בהגדרות שונות:

• חוזק שדות מגנטיים שונים.
• חומרים מגנטו-קלוריות שונים, כמו גדוליניום טהור, סגסוגות גדוליניום וסגסוגות LaFeSi (לנתנום-ברזל-סיליקון).
• צורות שונות לחומר המגנטו-קלורי.

מערכות אלו הוכיחו יעילות גבוהה יותר ממערכות דחיסת אדים הטובות ביותר. גם טווח הטמפרטורה והכוח התרמי שלהם התאימו היטב.

עם זאת, טרם הוכח שמערכות אלו יכולות להתאים למשאבות חום מסורתיות לגבי עלויות, מסה וגודל, כולם שיקולים חשובים להצלחה מסחרית פוטנציאלית.

ביצועים משתנים

החוקרים מדדו את צפיפות כוח המערכת (SPD) של עיצובים שונים המוצעים של MCHP, או את ההספק התרמי בוואטים חלקי מסת המכשיר בק"ג.

הספרות המדעית הקיימת מציגה מגוון רחב של SPD, הנעים בין ~1 ל-40 W/kg.

מעניין, לשניים מהעיצובים עם ה-SPD הגבוה ביותר היו גישות שונות לחלוטין: אחד השתמש בשדות מגנטיים גבוהים בתדרים גבוהים, ואחד השתמש בשדות נמוכים בתדרים נמוכים. אז כנראה ישנן מספר גישות שכל אחת מהן כדאית מבחינה טכנית.

מתחרה עם מדחסים

החוקרים חקרו מספר דרכים להגביר את SPD, מקום מחקר שהוזנח עד כה, ביעילות מוחלטת ויותר במוקד של חוקרי מדעי החומר.

עם זאת, ה-SPD הוא ככל הנראה חשוב ביותר לאימוץ המוני של משאבות חום כאלה, שכן אף משתמש קצה, הן צרכנים והן בונים, לא יסכימו לקבל משאבות חום בגודל של חדר מלא או כבדות מכדי לטפל בהן בקלות.

הם השתמשו במגוון שיטות:

• שינוי בסגסוגת המגנטית המשמשת:
  • ההספק למסה היה 374 ואט/ק"ג עבור גדוליניום בלבד.
  • זה היה 854 ואט/ק"ג עבור חומרים מבוססי LaFeSi בלבד.
• עיצובים שונים של החומר המגנטי, מצלחות ועד חרוזים.
• דחפים מגנטיים שונים, משתנים בתדירות ובעוצמה.

באמצעות בדיקה שיטתית זו, החוקרים מצאו כי מנקודת מוצא טכנית של 5.9 ואט/ק"ג, ניתן להגביר את מערכות MCHP עד ל-81.3 ואט/ק"ג, או עלייה של כמעט פי 14 בצפיפות ההספק של המערכת.

מממצאים אלה, נראה כי MCHPs יכולים כמעט להתאים ל-SPD של כמה משאבות חום מבוססות מדחסים הנמצאות בשימוש כיום, במיוחד עבור הספקי קירור נמוכים או מתונים (<200 W).

חברות משאבות חום מגנטו-קלוריות

נראה שהחברה הבאה אינה חברה רשומה בבורסה ועדיין מוכרת את MCHP. עם זאת, זהו תחום פעיל מאוד עם סטארט-אפים רבים, לעתים קרובות ספין-אוף של מחקר חדשני שבוצע באוניברסיטאות מובילות. לְדוּגמָה:

• מַגנֶטוֹ
• Magnotherm
• CoolTech, היא חברת בת של הגרמנית קבוצת HYDAC(גם בבעלות פרטית).
• Camfridge

לכן, למרות שלא קל מאוד לגישה, זה יכול להיות רעיון מעניין עבור אנשים שהם משקיעים מוסמכים ויש להם גישה להשקעות כאלה.

חברת גדוליניום

גדוליניום הוא אדמה נדירה, ו-97% מהייצור העולמי (גדוליניום דו חמצני) מיוצר על ידי סין.

מעניין שלמתכת יש כיום שימוש מועט מלבד שימוש בנישה כמו ספיגת נויטרונים בכורים גרעיניים מסוימים או חומרי ניגוד מגנטיים ל-MRI, ולכן תהיה משאב מושלם לניצול במקום חומר קירור מזהם המשמש כיום במשאבות חום.

מכיוון שהמתח המסחרי בין ארה"ב וסין עלה ללא הרף מאז הנשיאות הראשונה של טראמפ, סביר להניח שכל משקיע מערבי שמוכן להמר על אדמה נדירה, כולל גדוליניום, יעדיף מקורות חלופיים.

חברה פוטנציאלית כזו היא Neo Materials.

Neo Materials מתמחה בייצור אדמה נדירה וחומרים קריטיים. זה כולל גדוליניום, אך כיום גם אדמה וחומרים נדירים אחרים קריטיים, כמו הפניום, ניוביום, גליום ומגנטים של אדמה נדירה.

מקור: ניאו חומרים

כל המוצרים הללו קריטיים לייצור מוליכים למחצה, מגנטים של טורבינות רוח, EVs וכו'. וברוב המקרים, סופקו 90-99% על ידי סין.

החברה מרוויחה את רוב הכנסותיה מ"Magnequench": ניאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB) אבקות מגנטיות ומגנטים המשמשים במנועים חשמליים (כולל EVs).

השני בגודלו מגיע מכימיקלים ותחמוצות המשמשים בזרזים נפט וכימיים, היברידיים ו-EV, טיהור מים, צגים ביעילות גבוהה, עדשות אופטיות, מוצרי אלקטרוניקה וכו'.

מקור: ניאו חומרים

ההכנסות של Neo מגוונות מאוד מבחינה גיאוגרפית, מה שהופך אותה לבטוחה יותר מפני סערות גיאופוליטיות מאשר רוב החברות במגזר זה. היא מייצרת כמה מוצרים בסין ואפילו הפכה את AsiaMag, רכישה משנת 2019 לחמשת יצרניות המגנטים המלוכדות הגדולות ביותר בסין על ידי הגדלת נפח המכירות שלה פי 5.

אבל היא גם מגוונת את הסיכון הגיאוגרפי שלה. לדוגמה, החברה תבנה באיחוד האירופי (אסטוניה) את המפעל הראשון מחוץ לסין עם מגנטים מחוטאים עבור רכבי EV, כשהייצור הראשון צפוי ב-2025.

מקור: ניאו חומרים

בסך הכל, ל-Neo Materials יש את הנוכחות המשולבת ביותר בשרשרת הערך של המגנט הקבוע ואדמה נדירה מחוץ לסין, כאשר רק כריית העפרות הגולמיות אינה משולבת אנכית.

לחברה יש גם תארים מתקדמים של אדמה נדירה ומומחים טכניים במוצרים מגנטיים של אדמה נדירה יותר מאשר לכל חברה אחרת מחוץ לסין או יפן. ואפילו ביפן, זה יכול לנצח מתחרים מקומיים לחתום על חוזים עם חברות כמו הונדה או דיידו סטיל.

מקור: ניאו חומרים

נוכחות חזקה זו בחומרים קריטיים למעבר הירוק, כמו גם יישומי היי-טק רבים מייצור מוליכים למחצה ועד סגסוגות וזרזים מיוחדים, הופכת את Neo לבחירת מניות טובה עבור משקיעים המחפשים חשיפה למגזר, עם אפסייד פוטנציאלי במקרה של החמרה במלחמות הסחר.

התייחסות למחקר:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). סקירה מקיפה של יישומי למידת מכונה במערכות אנרגיה מתחדשת. אנרגיה שימושית, 350 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}