Fremme HVAC‑løsninger med elektrokaloriske materialer

Det store energibehovet til oppvarming og kjøling

Det moderne industrisamfunnet bruker mye energi. Oppvarming og kjøling er en stor del av dette: Ifølge IRENA står disse bruksområdene for over halvparten av verdens sluttforbruk av energi, sammenlignet med om lag 20 % til andre elektriske bruksområder og 30 % til transport. Dette er en inndeling etter bruk, ikke en påstand om at oppvarming aldri bruker elektrisitet.

Elektrifisering og effektivisering av oppvarming, ventilasjon og klimaanlegg, ofte forkortet HVAC, er derfor viktig for å redusere energibruk og utslipp. Etterspørselen etter romkjøling kan vokse kraftig fram mot 2050, blant annet i varme land med store befolkninger som India og Indonesia. Tredobling er et scenario som avhenger av utviklingen i effektivitet og etterspørsel.

Kilde: Daikin

Varmepumper med dampkompresjon er en etablert teknologi for energieffektiv oppvarming og kjøling.

En alternativ teknologi som utforskes, bygger på det fysiske prinsippet elektrokalorisk kjøling.

Hvordan varmepumper fungerer

Alle varmepumper, fra kompresjonsbaserte systemer til mulige framtidige elektrokaloriske løsninger, har samme grunnidé: De flytter varme i stedet for bare å omdanne tilført energi direkte til varme.

Dette skiller dem fra direkte elektrisk oppvarming og forbrenning av gass, kull eller olje, der tilført energi omdannes til varme på stedet.

En varmepumpe overfører varme fra et område til et annet. Om vinteren kan den hente varme fra uteluft eller bakken og levere den til en bygning. Et reversibelt system kan snu prosessen om sommeren og kjøle bygningen.

Fordi varmepumpen også henter varme fra omgivelsene, kan den levere mer varmeeffekt enn den elektriske effekten den bruker. Et kompresjonsbasert anlegg kan for eksempel levere 2–4 W varme eller kjøleeffekt per W tilført elektrisk effekt, avhengig av temperaturer og driftsforhold.

Kilde: RMI

Vanlige varmekilder er uteluften og bakken, der rør eller energibrønner brukes til varmeutveksling. Andre løsninger kan bruke vann eller spillvarme.

Varmepumper brukes ofte i boliger, kontorer og næringsbygg. De kan også gjenvinne spillvarme fra industrielle prosesser og levere den på et høyere temperaturnivå, med mulighet for betydelige energibesparelser.

Kilde: Sintef

Elektrokaloriske varmepumper som alternativ til kompresjon

Fremgang innen elektrokalorisk teknologi

Tradisjonelle varmepumper bruker kompresjon & ekspansjon i en krets med kuldemedium for å flytte varme. Enkelte fluorholdige kuldemedier har høy klimapåvirkning ved lekkasje. Ammoniakk har derimot ikke tilsvarende høyt direkte globalt oppvarmingspotensial, selv om sikkerhet, energibruk og produksjon også må vurderes.

Den elektrokaloriske effekten bygger på temperaturendringer i et egnet materiale når et elektrisk felt endres. Under tilnærmet adiabatiske forhold kan økt orden i elektriske dipoler gi oppvarming når feltet påføres, og avkjøling når det fjernes. En varmepumpesyklus må i tillegg sørge for kontrollert varmeutveksling.

Kilde: Fraunhofer IPM

Elektrokaloriske effekter har vært kjent i flere tiår. Tidlige demonstrasjoner ga relativt små temperaturendringer, omkring 2,5 °C i de omtalte forsøkene.

Et viktig framskritt kom i 2006, da en tynn film av blyzirkonattitanat viste en temperaturendring på 12 °C. Dette er en temperaturendring, ikke kjøleeffekt målt i watt.

Forskere ved Luxembourg Institute of Science and Technology i Belvaux rapporterte senere en elektrokalorisk varmepumpe med et maksimalt temperaturspenn på 20,9 K, tilsvarende en temperaturforskjell på 20,9 °C. Resultatet viser framgang, men betyr ikke alene at teknologien er kommersielt klar.

Elektrokalorisk prototype

Prototypen brukte keramiske flerlagskondensatorer av blyskandiumtantalat, forkortet PST. Dette materialet er ikke en polymer.

Kilde: UPCommons

Forskerne rapporterte en maksimal kjøleeffekt på 4,2 W ved et elektrisk felt på 10 V per mikrometer. Feltstyrke er ikke det samme som effektforbruk. Maksimalt temperaturspenn og maksimal kjøleeffekt beskriver ulike driftspunkter og skal ikke uten videre kombineres til én ytelse.

Kilde: Techspot

Ifølge sammenligningen presentert i forskernes omtale var temperaturspennet rundt 50 % større og den maksimale kjøleeffekten rundt 15 ganger høyere enn i de tidligere elektrokaloriske enhetene de sammenlignet med.

Dette var en forbedring innen elektrokaloriske prototyper, ikke dokumentasjon på at løsningen allerede overgår alle kommersielle kompresjonsanlegg.

Kilde: UPCommons

Kilde: UPCommons

Materialet ble også prøvd gjennom gjentatte oppvarmings- og kjølesykluser uten observert nedbrytning under de aktuelle testforholdene. Det erstatter ikke testing av levetid under alle praktiske driftsforhold.

Direkte elektrisk styring kan gjøre elektrokaloriske enheter kompakte. I tillegg til framtidige varmepumper kan teknologien derfor være aktuell for kjøling av mindre elektroniske komponenter og batterier.

Teknologien har potensial for god energieffektivitet, men denne avhenger blant annet av energigjenvinning, pumping og varmeoverføring. Det er ikke dokumentert at alle elektrokaloriske systemer vil være mer effektive enn kompresjonsvarmepumper.

Videre forbedring

Studien publisert i Science beskriver en prototype og peker på flere muligheter for videre forbedring.

Prototypen bruker for eksempel en elektrisk isolerende væske for å redusere risikoen for kortslutning. Væsken har mindre gunstige varmeoverføringsegenskaper enn vann.

Bedre beskyttelse av flerlagskondensatorene mot vann kunne derfor gjøre det mulig å forbedre varmeoverføringen og kjøleeffekten.

Flere kondensatorer eller tettere plassering kan også øke den mulige kjøleeffekten, dersom varmeoverføring og drift fungerer tilfredsstillende.

Tynnere og flatere moduler er en annen mulig forbedring. Bruk av sterkere elektriske felt må vurderes opp mot materialenes gjennomslagsspenning, levetid og sikkerhet.

Selskaper innen avanserte varmepumper

På artikkelens tidspunkt i 2024 var denne elektrokaloriske løsningen fortsatt på forsknings- og prototypestadiet. Resultatene beskrev ikke et ferdig massemarkedsprodukt.

Dersom teknologien kan gjøres økonomisk og teknisk konkurransedyktig, kan forskningsmiljøene søke industrielle samarbeid eller lisensiere patenter. Det er foreløpig en mulighet, ikke en etablert forretningsmodell.

Etablerte varmepumpeprodusenter kan være relevante å følge fordi de har erfaring med produksjon, distribusjon og service. Det innebærer ikke at de allerede har lisensiert denne teknologien.

Utvikling og utrulling av kommersielle systemer kan kreve betydelig kapital. Store aktører kan ha fordeler, men mindre teknologiselskaper og samarbeid kan også spille en rolle.

1. Carrier Global

Carrier er en stor leverandør av løsninger for oppvarming, ventilasjon, klimaanlegg og kjølekjeder. I selskapets daværende presentasjoner inngikk også brann- og sikkerhetsvirksomhet, og antallet ansatte var over 58 000. Varmepumper var ett av flere viktige produktområder.

Amerika var et viktig marked, og HVAC sto for mer enn halvparten av omsetningen i den omtalte virksomhetsfordelingen.

Kilde: Carrier Global

Den historiske selskapsoversikten oppga en installert base på over 330 000 kommersielle HVAC-systemer, 33 millioner systemer i boliger, 1,8 millioner kjøleenheter og over 90 millioner brann- og sikkerhetssystemer.

Selskapet hadde mål om å redusere klimagassutslippene betydelig fram mot 2030.

Et framtidig elektrokalorisk system kan redusere behovet for enkelte kuldemedier med høy klimapåvirkning. Ammoniakk er ikke hovedforklaringen på slike direkte utslipp. Den samlede miljøbelastningen vil fortsatt avhenge av blant annet elektrisitet, materialer, produksjon og levetid; den blir ikke automatisk null.

Kilde: Carrier Global

2. Daikin Industries

Det japanske selskapet ble grunnlagt i 1924 og beskriver seg som verdens største klimaanleggsprodusent.

Daikin har lenge arbeidet med varmepumper og inngikk i 2008 et samarbeid med Gree Electric Appliances, en stor kinesisk produsent av klimaanlegg.

Selskapet har store markeder i Amerika, Europa og Øst-Asia. Ifølge den omtalte selskapsrapporten økte salget i India 23 ganger mellom 2009 og 2022.

Kilde: Daikin

Daikin framhever kuldemediet R32, som har lavere globalt oppvarmingspotensial enn blant annet R410A. Dette betyr ikke at R32 har lavere klimapåvirkning enn alle alternative kuldemedier eller enn alle konkurrenters løsninger.

Nye kjøleteknologier kan på lang sikt endre konkurransebildet. Prototypestadiet gir likevel ikke grunnlag for å slå fast at elektrokaloriske systemer utgjør en umiddelbar trussel mot Daikin.

Kilde: Daikin

Selskapets arbeid med miljøpåvirkning og innovasjon omfatter blant annet et forsknings- og utviklingssenter åpnet i 2015, med en oppgitt investering på rundt 300 millioner dollar. Slike ressurser kan være relevante for nye teknologier, men dokumenterer ikke at Daikin har besluttet å kommersialisere denne prototypen.

Daikin åpnet i 2015 for vederlagsfri bruk av grunnleggende patenter knyttet til R32-utstyr og utvidet tilgangen i 2019 til flere relevante patenter. Ordningen gjelder R32-relatert teknologi, ikke alle konsernets patenter på alle områder.

3. NIBE Group

Investorer som vil undersøke selskaper med betydelig varmepumpevirksomhet, kan også se på NIBE. En tydelig sektortilknytning fjerner likevel ikke teknologisk eller økonomisk risiko.

NIBE er en europeisk produsent av blant annet varmepumper og vedovner. Vedfyring er ikke automatisk klimanøytral; klimaeffekten avhenger av skogforvaltning, tidsperspektiv, alternativ bruk av biomassen og utslipp fra forbrenningen.

Konsernet har svensk opprinnelse og betydelig salg i Norden og resten av Europa. Det oppga 21 333 ansatte i 2022.

Kilde: Nibe

NIBE anslo at varmepumpene selskapet solgte i 2021, kunne redusere de årlige CO2-utslippene med omkring 360 000 tonn sammenlignet med referanseløsningene i beregningen. Dette er selskapets historiske estimat, ikke en måling av alle dagens installasjoner.

NIBE har en betydelig virksomhet innen varmepumper. Størrelsen sammenlignet med Carrier og Daikin avhenger av hvilke produkter, markeder og mål som brukes; det er ikke grunnlag her for å slå fast at de er like store.

Forskning på elektrokaloriske materialer i blant annet Luxembourg og Tyskland kan skape muligheter for samarbeid med europeiske industriselskaper som NIBE. Om dette vil føre til kommersielle produkter utover kompresjonsbaserte varmepumper, gjenstår å se.