Nye varmepumpedesign eliminerer kjølemidler til fordel for magneter

Forbedring av varmegenerering

Blant alle mulige energibehov er varme den største sluttbruken (inkludert for eksempel elektrisitet omdannet til varme). Så det gir mening at avkarbonisering kun vil skje dersom varmegenerering utføres på den grønneste mulige måten, og svært effektivt.

Dette er langt fra oppnådd, ettersom fossile brensler står for 63% av det globale energiforbruket til oppvarming av bygninger, en nedgang på bare 4 prosentpoeng siden 2010.

Kilde: IEA

Dette er en betydelig hindring for ethvert netto-null-scenario, og krever minst like mye innsats som å bytte individuelle transportmidler til elbiler.

Foreløpig har hovedmetoden vært å gå over til varmepumper, som i stedet for å brenne noe for å produsere varme, flytter den fra ett punkt til et annet.

Selv om de er mer effektive, kan varmepumper fortsatt forbedres. Dette er hva forskere ved Ames National (ATLO ) Laboratory (USA) og Iowa State University jobber med, med en ny type varmepumpe kalt «magnetokalorisk varmepumpe».

De publiserte nylig sine siste resultater i tidsskriftet Applied Energy, under tittelen “Skalerbar og kompakt magnetokalorisk varmepumpeteknologi¹“.

Hvordan fungerer tradisjonelle varmpumper?

Hovedkonseptet for en varmepumpe er å «ta tak i» energi på ett sted og transportere den til et annet.

Vanligvis vil den trekke varme fra omgivelsene rundt et hus eller andre bygninger og injisere den tilbake innendørs.

Fordi ingen varme faktisk genereres, kun flyttes rundt, kan den vise effektivitetstall over 100% når den måles i watt-timer (Wh) av forbrukt elektrisitet.

Dette systemet er også mer allsidig enn et tradisjonelt varmesystem, da det også kan fungere i revers. Så i de fleste tilfeller kan det også fungere som kjøling i sommermånedene.

Kilde: The Heat Pump Warehouse

Den typiske varmepumpen bruker et system med gasskomprimering for å flytte varmen, ettersom gasser absorberer eller frigjør varme når de komprimeres/dekomprimeres.

Gasskomprimering er den mest brukte metoden, fordi det er en svært kjent teknologi, som baserer seg på ventiler, rør og kompressorer som ikke er så forskjellige fra de som ble brukt for tiår siden.

Dette kan imidlertid ikke være det beste mulige varmepumpedesignet, da magneter blir en sterk konkurrent.

Typer av varmepumper

Ulike varmepumpedesign varierer på flere måter, inkludert hvor de henter energien, hvor de sender den, og om de er tilpasset kalde klimaer eller ikke.

Energikilder

• Bakkevarme: Kjent også som geotermiske varmepumper, de utnytter varme fra bakken og er kjent for sin høye effektivitet.
• Luftkilde: Den mest vanlige typen, disse trekker varme fra luften og er enklere å installere enn bakkenvarmepumper.
• Vannkilde: Disse bruker nærliggende vannkilder som innsjøer eller brønner for varmeutveksling.

Installasjon

• Kanalbasert: Integrert i et hjems kanalsystem, gir disse sentralisert oppvarming og kjøling.
• Mini-split: Ideell for boliger uten kanaler, disse tillater individuell kontroll av romtemperaturer.

Klima

• Kaldt klima: Spesielt designet for regioner med harde vintre, disse varmepumpene opprettholder effektiviteten selv ved ekstremt lave temperaturer takket være avanserte funksjoner som variabel hastighetskompressorer.
• Normal klima: Ideell for moderate klima, disse er standard varmepumper som passer til typiske oppvarmings- og kjølebehov.

Varmeoverføringsmetode

• Gasskomprimering: Fungerer rimelig bra, med enkel, kjent teknologi.
• Magneter: En undergruppe av den større «solid-state» kaloriske varmepumpen, som ikke krever kjølemiddel.

Magnetokalorisk varmepumpeteknologi (MCHP)

MCHP bruker prinsippene for magnetokaloriske effekter, eller kjøling eller oppvarming av magnetiske materialer ved variasjon av et eksternt påført magnetfelt.

Kilde: DST

I teorien kan dette være et mye bedre system, da det fjerner behovet for kjølemedier, som vanligvis er giftige og/eller miljøskadelige, og som ofte lekker fra tradisjonelle varmepumper, spesielt når utstyret blir eldre.

Gjennom årene har mange ulike design for magnetokaloriske varmepumper blitt foreslått ved bruk av forskjellige oppsett:

• Ulike styrker på magnetfelt.
• Ulike magnetokaloriske materialer, som rent gadolinium, gadoliniumlegeringer og LaFeSi-legeringer (lanthan‑jern‑silisium).
• Ulike former for det magnetokaloriske materialet.

Disse systemene har vist en effektivitet høyere enn de beste dampkompresjonssystemene. Deres temperaturspenn og termiske kraft var også en god match.

Det har imidlertid ennå ikke blitt demonstrert at disse systemene kan matche tradisjonelle varmepumper når det gjelder kostnader, masse og størrelse, alle viktige faktorer for potensiell kommersiell suksess.

Variabel ytelse

Forskerne målte systemets krafttetthet (SPD) for ulike foreslåtte MCHP-design, dvs. den termiske kraften i watt delt på enhetens masse i kg.

Den eksisterende vitenskapelige litteraturen viser et bredt spekter av SPD, fra omtrent 1 til 40 W/kg.

Interessant nok hadde to av designene med høyest SPD helt forskjellige tilnærminger: den ene brukte sterke magnetfelt ved høye frekvenser, og den andre brukte svake felt ved lave frekvenser. Så det finnes sannsynligvis flere tilnærminger som hver for seg er teknisk levedyktige.

Konkurrere med kompressorer

Forskerne har undersøkt flere måter å øke SPD på, et forskningsområde som hittil har blitt oversett, med absolutt effektivitet og mer i fokus for materialvitenskapelige forskere.

Det er imidlertid SPD som sannsynligvis vil være den viktigste faktoren for masseadopsjon av slike varmepumper, da ingen sluttbrukere, verken forbrukere eller byggherrer, vil akseptere varmepumper på størrelse med et helt rom eller for tunge til å håndteres enkelt.

De brukte en rekke metoder:

• Variasjon på den magnetiske legeringen brukt:
  • Kraften per masse var 374 W/kg for rent gadolinium.
  • Den var 854 W/kg for rent LaFeSi‑baserte materialer.
• Ulike design av det magnetiske materialet, fra plater til perler.
• Ulike magnetiske impulser, varierende i frekvens og intensitet.

Gjennom denne systematiske testingen fant forskerne at fra et teknisk grunnlag på 5,9 W/kg, kan MCHP‑systemer økes opp til 81,3 W/kg, eller en nesten 14‑fold økning i systemets krafttetthet.

Basert på disse funnene ser det ut til at MCHP kan nesten matche SPD for noen nåværende kompressorbaserte varmepumper, spesielt for lav eller moderat kjølekapasitet (< 200 W).

Magnetokaloriske varmepumpeselskaper

Den neste ser ikke ut til å være et børsnotert selskap som for øyeblikket selger MCHP. Det er imidlertid et svært aktivt felt med mange oppstartsbedrifter, ofte spin‑offs fra banebrytende forskning utført ved toppuniversiteter. For eksempel:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, er et datterselskap av den tyske HYDAC Group (også privat eid).
• Camfridge

Så, selv om det ikke er lett tilgjengelig, kan det være en interessant idé for personer som er akkrediterte investorer og har tilgang til slike investeringer.

Gadolinium-selskap

Gadolinium er et sjeldent jordmetall, og 97% av den globale produksjonen (gadoliniumdioksid) produseres av Kina.

Interessant nok har metallet for tiden få anvendelser utenom nisjebruk som nøytronabsorpsjon i noen kjernekraftverk eller magnetiske kontrastmidler for MR, og ville derfor være en perfekt ressurs å utnytte i stedet for forurensende kjølemedier som nå brukes i varmepumper.

Ettersom handelsspenningene mellom USA og Kina har økt kontinuerlig siden den første Trump‑administrasjonen, er det sannsynlig at vestlige investorer som er villige til å satse på sjeldne jordarter, inkludert gadolinium, vil foretrekke alternative kilder.

Et slikt potensielt selskap er Neo Materials.

Neo Materials spesialiserer seg på produksjon av sjeldne jordarter og kritiske materialer. Dette inkluderer gadolinium, men også andre kritiske sjeldne jordarter og materialer, som hafnium, niobium, gallium og sjeldne jordmagneter.

Kilde: Neo Materials

Alle disse produktene er kritiske for produksjon av halvledere, magneter til vindturbiner, elbiler osv. Og i de fleste tilfeller leveres de 90‑99% av Kina.

Selskapet får mesteparten av inntektene sine fra «Magnequench»: neodym‑jern‑bor (NdFeB) magnetpulver og magneter brukt i elektriske motorer (inkludert elbiler).

Den nest største inntektskilden kommer fra kjemikalier og oksider brukt i petroleum og kjemiske katalysatorer, hybrid‑ og elbiler, vannrensing, høy‑effektive skjermer, optiske linser, forbrukerelektronikk osv.

Kilde: Neo Materials

Neos inntekter er også svært geografisk diversifisert, noe som gjør selskapet tryggere mot geopolitiske stormer enn de fleste selskaper i denne sektoren. Det produserer noen produkter i Kina og har til og med gjort AsiaMag, et oppkjøp fra 2019, til en av de fem største produsentene av bundne magneter i Kina ved å øke salgsvolumet femfold.

Men det diversifiserer også sin geografiske risiko. For eksempel vil selskapet bygge i EU (Estland) det første sintringsmagnetanlegget utenfor Kina for elbiler, med første produksjon forventet i 2025.

Kilde: Neo Materials

Alt i alt har Neo Materials den mest integrerte tilstedeværelsen i verdikjeden for permanente magneter og sjeldne jordarter utenfor Kina, med kun gruvedrift av råmalmen som ikke er vertikalt integrert.

Selskapet har også flere avanserte grader og tekniske eksperter innen sjeldne jordmagnetprodukter enn noe annet selskap utenfor Kina eller Japan. Og selv i Japan kan det overgå lokale konkurrenter ved å signere kontrakter med selskaper som Honda eller Daido Steel.

Kilde: Neo Materials

Denne sterke tilstedeværelsen i materialer som er kritiske for den grønne overgangen, samt mange høyteknologiske anvendelser fra halvlederproduksjon til spesiallegeringer og katalysatorer, gjør Neo til et godt aksjevalg for investorer som søker eksponering mot sektoren, med et potensielt oppsving ved forverrede handelskriger.

Studierreferanse:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). En omfattende gjennomgang av maskinlæringsapplikasjoner i fornybare energisystemer. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}