Nieuwe warmtepompontwerpen doen af met koelmiddelen ten gunste van magneten

Verbeteren van Warmteproductie

Van alle mogelijke energievraagstukken is warmte het grootste eindgebruik (inclusief bijvoorbeeld elektriciteit die wordt omgezet in warmte). Het is daarom logisch dat decarbonisatie alleen zal slagen als warmteproductie op de groenste mogelijke manier en zeer efficiënt gebeurt.

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

Bron: IEA

Dit vormt een grote belemmering voor elk netto-nulscenario, en vereist minstens evenveel inspanning als het overschakelen van individuele vervoersmiddelen naar elektrische voertuigen.

Voorlopig is de belangrijkste methode om over te stappen op warmtepompen, die in plaats van brandstoffen te verbranden om warmte te produceren, deze van de ene naar de andere plaats verplaatsen.

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

Ze hebben onlangs hun nieuwste resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Applied Energy, onder de titel “Schaalbare en compacte magnetocalorische warmtepomptechnologie¹”.

Hoe Werken Traditionele Heap-pompen?

Het kernconcept van een warmtepomp is om energie op één plek “te grijpen” en naar een andere plek te vervoeren.

Typisch zal hij warmte onttrekken aan de omgeving rond een huis of andere gebouwen en deze weer naar binnen injecteren.

Omdat er geen warmte wordt gegenereerd, maar alleen verplaatst, kan hij efficiëntiepercentages boven de 100 % laten zien wanneer gemeten in Wattuur (Wh) elektriciteit verbruikt.

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

Bron: The Heat Pump Warehouse

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

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

Dit is echter mogelijk niet het best mogelijke warmtepompontwerp, waarbij magneten een sterke concurrent worden.

Soorten Warmtepompen

Verschillende warmtepompontwerpen verschillen op verschillende manieren, waaronder waar ze de energie onttrekken, waar ze deze afgeven, en of ze geschikt zijn voor koude klimaten of niet

Energiebronnen

• Bodembron: Ook bekend als geothermische warmtepompen, benutten ze warmte uit de bodem en staan ze bekend om hun hoge efficiëntie.
• Luchtbron: Het meest voorkomende type, deze onttrekken warmte uit de lucht en zijn makkelijker te installeren dan bodembronpompen.
• Waterbron: Deze gebruiken nabijgelegen waterbronnen zoals meren of putten voor warmte‑uitwisseling.

Installatie

• Kanaalgebonden: Geïntegreerd in het luchtkanaal van een huis, bieden deze gecentraliseerde verwarming en koeling.
• Mini-split: Ideaal voor huizen zonder kanalen, deze maken individuele regeling van kamertemperaturen mogelijk.

Klimaat

• Koud klimaat: Specifiek ontworpen voor regio’s met strenge winters, behouden deze warmtepompen hun efficiëntie zelfs bij extreem koude temperaturen dankzij geavanceerde functies zoals variabele‑snelheidscompressoren.
• Gemiddeld klimaat: Ideaal voor gematigde klimaten, dit zijn standaard warmtepompen geschikt voor typische verwarmings‑ en koelingsbehoeften.

Warmteoverdrachtsmethode

• Gascompressie: Werkt redelijk goed, met eenvoudige, bekende technologie.
• Magneten: Een subset van de grotere “solid‑state” calorische warmtepomp, die geen koelmiddel vereist.

Magnetocalorische Warmtepomp (MCHP) Technologie

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

Bron: DST

In theorie kan dit een veel beter systeem zijn, omdat het de noodzaak voor koelmiddelmateriaal wegneemt, die over het algemeen giftig en/of milieuschadelijk zijn en vaak lekken uit traditionele warmtepompen, vooral wanneer de apparatuur ouder wordt.

In de loop der jaren zijn er veel verschillende ontwerpen voor magnetocalorische warmtepompen voorgesteld met verschillende opstellingen:

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

Deze systemen hebben een efficiëntie aangetoond die hoger is dan die van de beste verdampcompressiesystemen. Hun temperatuurbereik en thermisch vermogen waren ook een goede match.

Het moest echter nog worden aangetoond dat deze systemen traditionele warmtepompen kunnen evenaren wat betreft kosten, massa en omvang, alles belangrijke overwegingen voor potentieel commercieel succes.

Variabele Prestaties

De onderzoekers maten de systeemvermogen‑dichtheid (SPD) van verschillende voorgestelde MCHP‑ontwerpen, oftewel het thermisch vermogen in watt gedeeld door de massa van het apparaat in kg.

De bestaande wetenschappelijke literatuur toont een breed scala aan SPD, variërend van ongeveer 1 tot 40 W/kg.

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

Concurreren met Compressoren

De onderzoekers hebben meerdere manieren onderzocht om de SPD te verhogen, een onderzoeksgebied dat tot nu toe over het hoofd werd gezien, met absolute efficiëntie en meer als focus van materiaalwetenschappers.

Het is echter de SPD die waarschijnlijk het belangrijkst zal zijn voor massale adoptie van dergelijke warmtepompen, aangezien geen eindgebruikers, zowel consumenten als bouwers, warmtepompen van de grootte van een volledige kamer of te zwaar om gemakkelijk te hanteren zullen accepteren.

Ze gebruikten een verscheidenheid aan methoden:

• Variatie op de magnetische legering gebruikt:
  • Het vermogen per massa was 374 W/kg voor zuiver gadolinium.
  • Het was 854 W/kg voor alleen op LaFeSi gebaseerde materialen.
• Verschillende ontwerpen van het magnetische materiaal, van platen tot kralen.
• Verschillende magnetische impulsen, variërend in frequentie en intensiteit.

Door deze systematische tests ontdekten de onderzoekers dat vanaf een technische basislijn van 5,9 W/kg, MCHP‑systemen kunnen worden opgevoerd tot 81,3 W/kg, of een bijna 14‑voudige toename in systeemvermogen‑dichtheid.

Uit deze bevindingen blijkt dat MCHP’s de SPD van sommige momenteel gebruikte op compressoren gebaseerde warmtepompen bijna kunnen evenaren, vooral voor lage of matige koelvermogens (< 200 W).

Magnetocalorische Warmtepompbedrijven

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

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, is een dochteronderneming van de Duitse HYDAC Group(also privately held).
• Camfridge

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

Gadoliniumbedrijf

Gadolinium is een zeldzaam aardmetaal, en 97:% van de wereldwijde productie (gadoliniumdioxide) wordt geproduceerd door China.

Interessant genoeg heeft het metaal momenteel weinig toepassingen, behalve nichegebruik zoals neutronenabsorptie in sommige kernreactoren of magnetische contrastmiddelen voor MRI, en zou het daarom een perfecte grondstof zijn om te gebruiken in plaats van vervuilende koelmiddelen die momenteel in warmtepompen worden gebruikt.

Aangezien de handelsspanningen tussen de VS & China sinds het eerste Trump‑presidentschap voortdurend zijn gestegen, is het waarschijnlijk dat westerse investeerders die bereid zijn te gokken op zeldzame aardmetalen, inclusief gadolinium, de voorkeur zullen geven aan alternatieve bronnen.

Zo’n potentieel bedrijf is Neo Materials.

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

Bron: Neo Materials

Al deze producten zijn cruciaal voor de productie van halfgeleiders, magneten voor windturbines, elektrische voertuigen, enz. En in de meeste gevallen worden ze 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 elektrische motoren (inclusief EV’s).

De op één na grootste inkomsten komen van chemicaliën & oxiden die worden gebruikt in petroleum‑ en chemische katalysatoren, hybride en EV’s, waterzuivering, hoogrendementdisplays, optische lenzen, consumentenelektronica, enz.

Bron: Neo Materials

De inkomsten van Neo zijn ook zeer geografisch 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 een van de top 5 grootste gebonden magnetfabrikanten in China door het verkoopvolume vijf keer te verhogen.

Maar het diversifieert ook zijn geografische risico. Bijvoorbeeld, het bedrijf zal in de EU (Estland) de eerste buiten China gesinterde magnetenfabriek voor EV’s bouwen, met de eerste productie verwacht in 2025.

Bron: Neo Materials

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

Het bedrijf beschikt ook over meer geavanceerde graden en technische experts op het gebied van zeldzame aardmagnetische producten dan elk ander bedrijf buiten China of Japan. En zelfs in Japan kan het lokale concurrenten overtreffen door contracten te tekenen met bedrijven zoals Honda of Daido Steel.

Bron: Neo Materials

Deze sterke aanwezigheid in materialen die cruciaal zijn voor de groene transitie, evenals vele high‑tech toepassingen van halfgeleiderproductie tot speciale legeringen en katalysatoren, maakt Neo een goede aandelenselectie voor investeerders die blootstelling aan de sector zoeken, met een potentieel upside in geval van verslechterende handelsoorlogen.

Studieverwijzing:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Een uitgebreid overzicht van toepassingen van machine learning in hernieuwbare energiesystemen. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}