Energie
HVAC-oplossingen verbeteren met elektrocalorische materialen
De enorme energievraag van HVAC
Modern industriële samenleving verbruikt veel energie. Een toepassing die we vaak onderschatten als het gaat om energieverbruik, is koeling en verwarming. Het vertegenwoordigt meer dan de helft van het totale wereldenergieverbruik, meer dan elektriciteit (20%) en transport (30%).
Dus misschien zelfs meer dan elektrische voertuigen, het elektrificeren van HVAC (verwarming, ventilatie en airconditioning) en het efficiënter maken ervan is cruciaal om het energieverbruik en de CO2‑uitstoot te verminderen. Vooral omdat de vraag naar alleen koeling naar verwachting zal verdrievoudigen tegen 2050 door economische ontwikkeling in warmere landen met grote populaties, zoals bijvoorbeeld India en Indonesië.
Bron: Daikin
Tot nu toe is de favoriete technologie om HVAC met hoge efficiëntie te realiseren warmtepompen die compressiekoeling gebruiken.
Een nieuwe technologie komt nu op om de status quo uit te dagen, gebaseerd op een fysiek principe dat “elektrocalorische koeling” wordt genoemd.
Hoe warmtepompen werken
Alle warmtepompen, van compressiewarmtepompen tot toekomstige elektrocalorische warmtepompen, werken volgens een basisprincipe: warmte verplaatsen in plaats van genereren.
Dit is een heel ander principe dan fossiele brandstof gebaseerde en andere elektrische verwarmingssystemen, waarbij elektriciteit of gas/kool/oil wordt verbruikt om warmte te produceren.
Een warmtepomp neemt in plaats daarvan warmte van de ene kant van een wand en transporteert deze naar de andere kant. In de winter absorbeert hij warmte van buiten en brengt die naar het gebouw. In de zomer keert hij dit proces om om het gebouw te koelen en werkt als airconditioning.
Warmte verplaatsen is veel efficiënter dan het genereren ervan. Dit maakt het mogelijk voor een op compressie gebaseerde warmtepomp om 2‑4W aan warmte/koude te produceren voor elke W aan verbruikte stroom.
Bron: RMI
De warmte beweegt in en uit de omgeving, met de twee belangrijkste opties: gebruik van buitenlucht of de omringende bodem via ondergrondse leidingen.
Warmtepompen worden meestal gebruikt om gebouwen zoals kantoren, commerciële ruimtes en woningen te verwarmen en te koelen. Ze kunnen echter ook in een industriële omgeving worden ingezet, waarbij energiebronnen van het ene industriële proces worden hergebruikt in een ander, wat hier ook leidt tot enorme energiebesparingen.
Bron: Sintef
Elektrocalorische warmtepompen om verder te gaan dan compressie
Vooruitgang in elektrocalorische technologie
Traditionele warmtepompen gebruiken het thermische effect van compressie & decompressie om de warmte van het ene punt naar het andere te verplaatsen. Dit vereist koelmiddelen zoals hydrofluorkoolwaterstoffen of ammoniak, die directe of indirecte broeikaseffecten op het klimaat hebben.
Het elektrocalorische principe is anders. Een elektrocalorisch systeem warmt op wanneer het wordt blootgesteld aan elektrische velden, omdat dit de atomen in één richting laat uitlijnen, waardoor de entropie afneemt. Het omgekeerde gebeurt, waardoor koeling optreedt wanneer de elektrische velden stoppen.
Bron: Fraunhofer IPM
Elektrocalorische effecten zijn bekend sinds de jaren 60, maar destijds kon het sterkste temperatuurverschil dat werd bereikt slechts 2,5°C bedragen.
Er werd enige vooruitgang geboekt in 2006 toen een dunne film van lood‑titanium‑zuurstof‑zirkonium een koelcapaciteit van 12°C bereikte.
Echter, de recente doorbraak van bijna 21°C temperatuurverandering, bereikt door onderzoekers van het Luxemburgs Instituut voor Wetenschap en Technologie in Belvaux, toont aan dat de technologie krachtig genoeg wordt voor commerciële toepassingen.
Elektrocalorisch prototype
Het team gebruikte een polymeer en lood‑scafium‑tantaal‑zuurstof (PST) multi‑laag condensatoren (MLC).
Bron: UPCommons
De Luxemburgse onderzoekers hebben een prototype ontwikkeld dat maximale koeling behaalde bij minder dan 10V per micrometer vermogen, met een maximale koeling van 4,2W.
Bron: Techspot
Dit is een radicale verbetering ten opzichte van alle eerder ontwikkelde methoden, met respectievelijk een temperatuurbereik en koelvermogen 50 % en 15 keer groter dan de vorige beste elektrocalorische apparaten.
Dit plaatst het prototype vele stappen voor op alle eerder geteste elektrocalorische concepten.
Bron: UPCommons
Bron: UPCommons
Het materiaal werd ook getest op herhaalde verwarmings‑ en koelcycli en vertoonde geen tekenen van degradatie.
Een van de vele voordelen van elektrocalorische systemen is dat het directe gebruik van elektriciteit EC‑koelers compact in volume maakt en geschikt voor miniaturisatie. Dus, naast toekomstige warmtepompen, kan het ook worden gebruikt in kleine elektronica en batterijen.
Het heeft ook een zeer hoge efficiëntie, potentieel veel hoger dan het compressiewarmtepompsysteem kan bereiken.
Verdere verbetering
Het onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science beschrijft een prototype. Er worden ook enkele verdere verbeteringen besproken.
Bijvoorbeeld, het huidige prototype gebruikt een dielektrische vloeistof in plaats van water om kortsluiting te voorkomen. Deze dielektrische vloeistof heeft echter slechte thermische eigenschappen vergeleken met water.
Dus, het ontwikkelen van waterdichte multi‑laag condensatoren (MLC) zou de snelheid en koelcapaciteit van het systeem aanzienlijk kunnen verbeteren.
Het verhogen van het aantal en de dichtheid van MLC’s kan ook leiden tot meer koelpotentieel.
Ten slotte zouden dunnere en plattere elektrocalorische modules helpen, en het is niet duidelijk of het toepassen van hogere elektrische velden mogelijk en veilig is.
Geavanceerde warmtepompbedrijven
Er is momenteel geen bedrijf dat elektrocalorische warmtepompen of koelsystemen commercialiseert. Het blijft nog sterk een academisch en toegepast natuurkundig gebied.
Het is echter waarschijnlijk dat nu de technologie zich ontwikkelt tot een efficiëntieniveau dat commercialisatie haalbaar maakt, deze onderzoeksinstituten hun patenten zullen proberen te gelde te maken.
Dus, het kan interessant zijn om naar de leiders in de warmtepompindustrie te kijken die kunnen profiteren van het licentiëren van de intellectuele eigendom voor elektrocalorische apparaten.
Het is ook waarschijnlijk dat de creatie van commerciële elektrocalorische systemen en hun distributie naar eindgebruikers een zeer kapitaalintensief proces zal zijn, wat de grootste spelers in de industrie bevoordeelt.
1. Carrier Global
(CARR )
Carrier is een leider in HVAC (commercieel en residentieel), koudeketen, en brand‑ en beveiliging, met meer dan 58.000 werknemers. Hoewel het niet uitsluitend warmtepompen verkoopt, is dit een productcategorie die de focus van het bedrijf is en die zij zien als de toekomst van de industrie.
Het richt zich voornamelijk op de Amerika’s, waarbij HVAC meer dan de helft van de omzet uitmaakt.
Bron: Carrier Global
Het heeft een geïnstalleerde basis van meer dan 330.000 commerciële HVAC‑systemen, 33 miljoen residentiële HVAC‑systemen, 1,8 miljoen koelinstallaties en meer dan 90 miljoen brand‑ en beveiligingssystemen.
Het bedrijf is vastbesloten om tegen 2030 zijn broeikasgas (GHG) uitstoot drastisch te verminderen.
Aangezien een groot deel van deze uitstoot afkomstig is van ammoniakkoelmiddelen, biedt de mogelijkheid om in de toekomst over te schakelen op een elektrocalorisch systeem de industrie een vooruitzichten waarbij de enige uitstoot gerelateerd is aan energieverbruik en metaalwinning, die door hernieuwbare energie zal worden aangedreven.
Bron: Carrier Global
2. Daikin Industry
Het Japanse bedrijf, opgericht in 1924, kan beweren ‘s werelds nummer 1 airconditioningbedrijf te zijn.
Het bedrijf is sinds 2006 actief in de warmtepompsector en heeft al in 2008 een zakelijke alliantie opgezet met Gree Electric Appliance, China’s toonaangevende airconditioningfabrikant.
Het verkoopt voornamelijk in de Amerika’s, Europa en Oost‑Azië, maar heeft ook een explosieve groei doorgemaakt in markten zoals India, met een 23‑voudige stijging in verkoop tussen 2009 en 2022.
Bron: Daikin
Een van Daikin’s concurrentievoordelen is het R32‑koelmiddel, met een veel lagere impact op de opwarming van de aarde dan die van concurrenten.
Dit betekent dat de opkomst van elektrocalorische systemen op korte termijn een bedreiging kan vormen voor de concurrentiepositie van het bedrijf.
Bron: Daikin
Maar tegelijkertijd weerspiegelt het de reeds bestaande focus van het bedrijf op de milieueffecten van koelsystemen en innovatiecapaciteiten (het investeerde $300 M in een nieuw R&D‑centrum in 2015) en zou het een goede kandidaat maken om deze systemen op commerciële schaal te ontwikkelen.
Een sterk teken van Daikin’s toewijding aan milieuvriendelijke innovatie is de wereldwijde gratis toegang tot basispatenten voor R32 sinds 2015 en gratis toegang in 2019 tot alle groepspatenten sinds 2011.
3. NIBE Group
Investeerders die geïnteresseerd zijn in de vooruitzichten van warmtepompen en elektrocalorische systemen, willen wellicht een bedrijf dat volledig toegewijd is aan de sector, zonder de afleidingen en risico’s die gepaard gaan met andere technologieën.
In dit geval zouden ze geïnteresseerd kunnen zijn in Nibe, een Europese fabrikant van warmtepompen, evenals houtkachels (een andere koolstofneutrale warmtebron).
Het bedrijf komt oorspronkelijk uit Zweden en voert nog steeds een groot deel van zijn verkoop uit in de Scandinavische landen, evenals Europa. Het had in 2022 21.333 werknemers.
Bron: Nibe
De warmtepompen van het bedrijf hebben de uitstoot van 360.000 ton CO2 in slechts één jaar voorkomen.
Als een meer gefocust bedrijf is Nibe net zo groot als Daikin of Carrier als het alleen om warmtepompen gaat.
Met onderzoek naar elektrocalorische materialen dat voorloopt in landen zoals Luxemburg en Duitsland, zou dit de weg kunnen openen voor Europese bedrijven zoals Nibe om bevoorrechte relaties met onderzoekers op te bouwen en tot de eersten te behoren die hun aanbod uitbreiden voorbij compressie‑gebaseerde warmtepompen.
