Nieuwe warmtepompontwerpen maken gebruik van koelmiddelen in plaats van magneten

Verbetering van warmteopwekking

Van alle mogelijke energiebehoeften is warmte het hoogste eindgebruik (inclusief bijvoorbeeld elektriciteit die wordt omgezet in warmte). Het is dus logisch dat decarbonisatie alleen plaatsvindt als warmteopwekking op de meest groene manier en zeer efficiënt wordt gedaan.

Dit is nog lang niet gebeurd: fossiele brandstoffen zijn goed voor 63% van het wereldwijde energieverbruik voor de verwarming van gebouwen. Dat is een daling van slechts 4 procentpunten sinds 2010.

Bron: IEA

Dit vormt een groot obstakel voor elk scenario waarin de CO2-uitstoot naar nul wordt teruggebracht. Het vereist minstens evenveel inspanning als het overschakelen van individuele vervoerswijzen naar elektrische voertuigen.

De belangrijkste methode is tot nu toe het gebruik van warmtepompen. Deze pompen produceren warmte door niet langer dingen te verbranden, maar verplaatsen de warmte van de ene naar de andere plek.

Zelfs als ze efficiënter zijn, kunnen warmtepompen nog steeds verbeterd worden. Dat is waar onderzoekers van het Ames National Laboratory (VS) en de Iowa State University aan werken, met een nieuw type warmtepomp genaamd “magnetocalorische warmtepomp”.

Onlangs publiceerden ze hun laatste resultaten in het tijdschrift Applied Energy, onder de titel “Schaalbare en compacte magnetocalorische warmtepomptechnologie¹'.

Hoe werken traditionele hooppompen?

Het kernconcept van een warmtepomp is om energie op één plek te ‘pakken’ en naar een andere plek te transporteren.

Normaal gesproken wordt warmte uit de omgeving van een huis of ander gebouw onttrokken en weer naar binnen gebracht.

Omdat er geen warmte wordt gegenereerd, maar alleen wordt verplaatst, kan het rendement hoger zijn dan 100% als het wordt gemeten in Wattuur (Wh) aan verbruikte elektriciteit.

Dit systeem is ook polyvalenter dan een traditioneel verwarmingssysteem, omdat het ook omgekeerd kan werken. In de meeste gevallen kan het dus ook als koeling dienen in de zomermaanden.

Bron: Het warmtepompmagazijn

De typische warmtepomp maakt gebruik van een systeem van gascompressie om de warmte te verplaatsen, aangezien gassen warmte absorberen of afgeven wanneer ze worden gecomprimeerd/gedecomprimeerd.

Gascompressie is de meest gebruikte methode, omdat het een zeer bekende technologie is die gebruikmaakt van kleppen, leidingen en compressoren die niet veel verschillen van de technologie die tientallen jaren geleden werd gebruikt.

Dit is echter mogelijk niet het beste warmtepompontwerp, aangezien de magneet een sterke kandidaat is.

Soorten warmtepompen

Verschillende warmtepompontwerpen verschillen op verschillende manieren, waaronder: waar ze de energie vandaan halen, waar ze het naartoe sturen en of ze wel of niet zijn aangepast aan koude klimaten.

Eenergiebronnen

• Grondbron: Ook bekend als geothermische warmtepompen, benutten ze warmte uit de grond en staan ​​ze bekend om hun hoge rendement.
• Luchtbron: Het meest voorkomende type, deze halen warmte uit de lucht en zijn gemakkelijker te installeren dan grondbronpompen.
• Waterbron: Deze gebruiken nabijgelegen waterbronnen zoals meren of putten voor warmte-uitwisseling.

Installatie

• Geleid: Deze zijn geïntegreerd in het kanaalwerk van een huis en zorgen voor gecentraliseerde verwarming en koeling.
• Mini-split: Deze zijn ideaal voor woningen zonder kanalen en maken individuele regeling van de kamertemperatuur mogelijk.

Klimaat

• Koud klimaat: Deze warmtepompen zijn speciaal ontworpen voor regio's met strenge winters en behouden hun efficiëntie, zelfs bij extreem koude temperaturen, dankzij geavanceerde functies zoals compressoren met variabele snelheid.
• Normaal klimaat: Ideaal voor gematigde klimaten. Dit zijn standaard warmtepompen die geschikt zijn voor typische verwarmings- en koelingsbehoeften.

Warmteoverdrachtmethode

• Gas compressie: Werkt redelijk goed, met eenvoudige, bekende technologie.
• magneten: Een subset van de grotere “solid-state” calorische warmtepomp, die geen koelmiddel nodig heeft.

Magnetocalorische warmtepomp (MCHP) technologie

MCHP maakt gebruik van de principes van magnetocalorische effecten, of het koelen of verwarmen van magnetische materialen door variatie van een extern aangelegd magnetisch veld.

Bron: STD

In theorie kan dit een veel beter systeem zijn, omdat er dan geen koelmiddelen meer nodig zijn. Deze zijn over het algemeen giftig en/of schadelijk voor het milieu en lekken vaak uit traditionele warmtepompen, vooral als de apparatuur ouder wordt.

In de loop der jaren zijn er veel verschillende ontwerpen voor magnetocalorische warmtepompen voorgesteld, waarbij gebruik is gemaakt van verschillende opstellingen:

• Verschillende sterktes van magnetische velden.
• Verschillende magnetocalorische materialen, zoals zuiver gadolinium, gadoliniumlegeringen en LaFeSi-legeringen (lanthaan-ijzer-silicium).
• Verschillende vormen voor het magnetocalorische materiaal.

Deze systemen hebben een hogere efficiëntie dan de beste dampcompressiesystemen laten zien. Hun temperatuurbereik en thermische kracht waren ook een goede match.

Het was echter nog niet aangetoond dat deze systemen qua kosten, massa en omvang vergelijkbaar waren met traditionele warmtepompen. Dit zijn allemaal belangrijke overwegingen voor potentieel commercieel succes.

Variabele prestatie

De onderzoekers maten de systeemvermogensdichtheid (SPD) van verschillende voorgestelde MCHP-ontwerpen, ofwel het thermische vermogen in watt gedeeld door de massa van het apparaat in kg.

Uit de bestaande wetenschappelijke literatuur blijkt dat er een grote verscheidenheid aan SPD's bestaat, variërend van ongeveer 1 tot 40 W/kg.

Interessant genoeg hadden twee van de ontwerpen met de hoogste SPD compleet verschillende benaderingen: de ene gebruikte hoge magnetische velden bij hoge frequenties, en de andere gebruikte lage velden bij lage frequenties. Er zijn dus waarschijnlijk meerdere benaderingen die elk technisch haalbaar zijn.

Concurreren met compressoren

De onderzoekers hebben verschillende manieren onderzocht om SPD te stimuleren, een onderzoeksgebied dat tot nu toe werd verwaarloosd, met absolute efficiëntie en meer de focus van onderzoekers op het gebied van materiaalkunde.

Het is echter waarschijnlijk de SPD die het meest van belang is voor de massale acceptatie van dergelijke warmtepompen, aangezien geen enkele eindgebruiker, zowel consumenten als bouwers, genoegen zal nemen met warmtepompen die zo groot zijn als een hele kamer of die te zwaar zijn om gemakkelijk te verplaatsen.

Ze gebruikten verschillende methoden:

• Variatie op de gebruikte magnetische legering:
  • Het vermogen per massa bedroeg 374 W/kg voor alleen gadolinium.
  • Voor alleen LaFeSi-gebaseerde materialen bedroeg dit 854 W/kg.
• Verschillende ontwerpen van magnetisch materiaal, van platen tot kralen.
• Verschillende magnetische impulsen, variërend in frequentie en intensiteit.

Door middel van deze systematische tests ontdekten de onderzoekers dat MCHP-systemen, bij een technische basislijn van 5.9 W/kg, kunnen worden opgevoerd tot 81.3 W/kg, wat neerkomt op een bijna 14x hogere systeemvermogensdichtheid.

Uit deze bevindingen blijkt dat MCHP's vrijwel de SPD van sommige momenteel gebruikte warmtepompen op basis van compressoren kunnen evenaren, vooral bij lage of matige koelvermogens (< 200 W).

Magnetocalorische warmtepompbedrijven

De volgende lijkt geen beursgenoteerd bedrijf te zijn, maar verkoopt momenteel MCHP. Het is echter een zeer actief veld met veel startups, vaak spin-offs van baanbrekend onderzoek uitgevoerd aan topuniversiteiten. Bijvoorbeeld:

• Magneto
• Magnetron
• CoolTech, is een dochteronderneming van de Duitse HYDAC Groep(ook in privébezit).
• Camkoelkast

Hoewel het niet heel gemakkelijk toegankelijk is, kan het een interessant idee zijn voor mensen die geaccrediteerde investeerders zijn en toegang hebben tot dergelijke investeringen.

Gadolinium Bedrijf

Gadolinium is een zeldzame aardmetaalsoort. 97% van de wereldproductie (gadoliniumdioxide) wordt geproduceerd in China.

Interessant genoeg heeft het metaal momenteel weinig toepassingen, afgezien van specifieke toepassingen zoals neutronenabsorptie in sommige kernreactoren of magnetische contrastmiddelen voor MRI. Het zou daarom een ​​perfecte hulpbron zijn om te gebruiken in plaats van het vervuilende koelmiddel dat momenteel in warmtepompen wordt gebruikt.

Omdat de handelsspanningen tussen de VS en China sinds het eerste presidentschap van Trump voortdurend zijn toegenomen, is het waarschijnlijk dat westerse investeerders die willen investeren in zeldzame aardmetalen, waaronder gadolinium, de voorkeur zullen geven aan alternatieve bronnen.

Een potentieel bedrijf is Neo Materials.

Neo Materials is gespecialiseerd in de productie van zeldzame aarden en kritische materialen. Dit omvat gadolinium, maar momenteel ook kritische andere zeldzame aarden en materialen, zoals hafnium, niobium, gallium en zeldzame aardmagneten.

Bron: Neo-materialen

Al deze producten zijn essentieel voor de productie van halfgeleiders, magneten voor windturbines, elektrische voertuigen, etc. En in de meeste gevallen worden ze voor 90-99% door China geleverd.

Het bedrijf haalt het grootste deel van zijn inkomsten uit “Magnequench”: neodymium-ijzer-boor (NdFeB) magnetische poeders en magneten die worden gebruikt in elektromotoren (inclusief elektrische voertuigen).

De op één na grootste hoeveelheid komt van chemicaliën en oxiden die worden gebruikt in aardolie en chemische katalysatoren, hybride en elektrische voertuigen, waterzuivering, zeer efficiënte displays, optische lenzen, consumentenelektronica, etc.

Bron: Neo-materialen

Neo's inkomsten zijn ook geografisch zeer gediversifieerd, waardoor het veiliger is voor geopolitieke stormen dan de meeste bedrijven in deze sector. Het produceert sommige producten in China en heeft zelfs AsiaMag, een overname uit 2019, omgevormd tot de top 5 grootste bonded magnet makers in China door zijn verkoopvolume te vervijfvoudigen.

Maar het diversifieert ook het geografische risico. Zo zal het bedrijf met name in de EU (Estland) de eerste gesinterde magneetfabriek voor elektrische voertuigen bouwen buiten China, met de eerste productie die in 2025 wordt verwacht.

Bron: Neo-materialen

Neo Materials heeft over het geheel genomen de meest geïntegreerde aanwezigheid in de waardeketen van permanente magneten en zeldzame aardmetalen buiten China. Alleen de winning van het ruwe erts is niet verticaal geïntegreerd.

Het bedrijf heeft ook meer geavanceerde graden in zeldzame aarde en technische experts in zeldzame aarde magnetische producten dan enig ander bedrijf buiten China of Japan. En zelfs in Japan kan het lokale concurrenten verslaan om contracten te tekenen met bedrijven als Honda of Daido Steel.

Bron: Neo-materialen

Deze sterke aanwezigheid in materialen die van cruciaal belang zijn voor de groene transitie, en in veel hightechtoepassingen van halfgeleiderproductie tot speciale legeringen en katalysatoren, maakt Neo een goede aandelenkeuze voor beleggers die blootstelling aan de sector willen, met een potentieel opwaarts potentieel in het geval van verergerende handelsoorlogen.

Studie referentie:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Een uitgebreid overzicht van machine learning-toepassingen in hernieuwbare energiesystemen. Toegepaste energie, 350120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}