Novos Projetos de Bombas de Calor Eliminam Refrigerantes em Favor de Ímãs

Melhorando a Geração de Calor

Entre todas as possíveis demandas de energia, o calor é o maior consumo final (incluindo, por exemplo, eletricidade transformada em calor). Portanto, faz sentido que a descarbonização só ocorrerá se a geração de calor for feita da maneira mais ecológica possível e com alta eficiência.

Isso está longe de ser alcançado, pois os combustíveis fósseis representam 63: % do uso global de energia para aquecimento de edifícios, uma queda de apenas 4 pontos percentuais desde 2010.

Fonte: IEA

Isso é um grande obstáculo a qualquer cenário de emissões líquidas zero, exigindo pelo menos tanto esforço quanto a troca dos métodos de transporte individuais por veículos elétricos.

Por enquanto, o método principal tem sido recorrer às bombas de calor, que, em vez de queimar algo para produzir calor, o transportam de um ponto a outro.

Mesmo sendo mais eficientes, as bombas de calor ainda podem ser aprimoradas. É isso que pesquisadores do Ames National (ATLO ) Laboratory (EUA) e da Iowa State University estão desenvolvendo, com um novo tipo de bomba de calor chamado “bomba de calor magnetocalórica”.

Eles publicaram recentemente seus últimos resultados na revista Applied Energy, sob o título “Tecnologia de bomba de calor magnetocalórica escalável e compacta¹“.

Como Funcionam as Bombas de Calor Tradicionais?

O conceito chave de uma bomba de calor é “capturar” energia em um lugar e transportá‑la para outro.

Normalmente, ela extrai calor do ambiente ao redor de uma casa ou outros edifícios e o injeta novamente no interior.

Como nenhum calor é realmente gerado, apenas deslocado, ela pode apresentar índices de eficiência superiores a 100:% quando medidos em Watt‑horas (Wh) de eletricidade consumida.

Esse sistema também é mais polivalente que um sistema de aquecimento tradicional, pois pode operar em reverso. Assim, na maioria dos casos, ele pode servir também como ar‑condicionado durante os meses de verão.

Fonte: The Heat Pump Warehouse

A bomba de calor típica usa um sistema de compressão de gás para mover o calor, já que os gases absorvem ou liberam calor quando são comprimidos ou descomprimidos.

A compressão de gás é o método mais usado, porque é uma tecnologia muito conhecida, baseada em válvulas, tubos e compressores não muito diferentes dos utilizados há décadas.

No entanto, esse pode não ser o melhor design possível de bomba de calor, com os ímãs se tornando um forte concorrente.

Tipos de Bombas de Calor

Os diferentes projetos de bombas de calor diferem em vários aspectos, incluindo onde extraem a energia, para onde a enviam e se são adaptados a climas frios ou não.

Fontes de Energia

• Fonte Terrestre: Também conhecidas como bombas de calor geotérmicas, aproveitam o calor do solo e são reconhecidas por sua alta eficiência.
• Fonte de Ar: O tipo mais comum, extrai calor do ar e é mais fácil de instalar que as bombas de fonte terrestre.
• Fonte de Água: Utilizam fontes de água próximas, como lagos ou poços, para troca de calor.

Instalação

• Duto: Integradas ao sistema de dutos da casa, fornecem aquecimento e refrigeração centralizados.
• Mini‑Split: Ideal para casas sem dutos, permite controle individual da temperatura dos ambientes.

Clima

• Clima Frio: Projetadas especificamente para regiões com invernos rigorosos, mantêm eficiência mesmo em temperaturas extremamente baixas graças a recursos avançados como compressores de velocidade variável.
• Clima Normal: Ideais para climas moderados, são bombas de calor padrão adequadas para necessidades típicas de aquecimento e refrigeração.

Método de Transferência de Calor

• Compressão de gás: Funciona razoavelmente bem, com tecnologia simples e conhecida.
• Ímãs: Um subconjunto da maior categoria de bombas de calor calóricas de estado sólido, que não requer refrigerante.

Tecnologia de Bomba de Calor Magnetocalórica (MCHP)

MCHP utiliza os princípios dos efeitos magnetocalóricos, ou o resfriamento e aquecimento de materiais magnéticos com a variação de um campo magnético aplicado externamente.

Fonte: DST

Em teoria, este pode ser um sistema muito melhor, pois elimina a necessidade de materiais refrigerantes, que geralmente são tóxicos e/ou prejudiciais ao meio ambiente, vazando frequentemente das bombas de calor tradicionais, especialmente quando o equipamento envelhece.

Ao longo dos anos, muitos designs diferentes de bombas de calor magnetocalóricas foram propostos usando diferentes configurações:

• Forças diferentes dos campos magnéticos.
• Materiais magnetocalóricos diferentes, como gadolínio puro, ligas de gadolínio e ligas de LaFeSi (lantânio‑ferro‑silício).
• Formas diferentes para o material magnetocalórico.

Esses sistemas demonstraram eficiência superior aos melhores sistemas de compressão de vapor. Sua faixa de temperatura e potência térmica também foram compatíveis.

No entanto, ainda não havia sido demonstrado que esses sistemas poderiam igualar as bombas de calor tradicionais em termos de custos, massa e tamanho, todas considerações importantes para o sucesso comercial potencial.

Desempenho Variável

Os pesquisadores mediram a densidade de potência do sistema (SPD) de diferentes designs propostos de MCHP, ou seja, a potência térmica em watts dividida pela massa do dispositivo em kg.

A literatura científica existente mostra uma grande variedade de SPD, variando de aproximadamente 1 a 40 W/kg.

Curiosamente, dois dos designs com maior SPD tinham abordagens completamente diferentes: um usava campos magnéticos altos em altas frequências, e outro usava campos baixos em baixas frequências. Portanto, provavelmente existem múltiplas abordagens, cada uma tecnicamente viável.

Competindo com Compressores

Os pesquisadores investigaram várias maneiras de aumentar o SPD, um campo de pesquisa negligenciado até agora, com eficiência absoluta e mais foco dos pesquisadores de ciência dos materiais.

No entanto, é o SPD que provavelmente será o mais importante para a adoção em massa dessas bombas de calor, pois nenhum usuário final, tanto consumidores quanto construtores, aceitará bombas de calor do tamanho de um cômodo inteiro ou muito pesadas para serem manuseadas facilmente.

Eles usaram uma variedade de métodos:

• Variação na liga magnética utilizada:
  • A potência por massa foi de 374 W/kg para gadolínio puro.
  • Foi de 854 W/kg para materiais baseados em LaFeSi.
• Designs diferentes do material magnético, de placas a esferas.
• Impulsos magnéticos diferentes, variando em frequência e intensidade.

Através desses testes sistemáticos, os pesquisadores descobriram que, a partir de uma linha de base técnica de 5,9 W/kg, os sistemas MCHP podem ser aumentados até 81,3 W/kg, quase um aumento de 14 vezes na densidade de potência do sistema.

A partir dessas descobertas, parece que os MCHPs podem quase igualar o SPD de algumas bombas de calor baseadas em compressores atualmente usadas, especialmente para potências de refrigeração baixas ou moderadas (< 200 W).

Empresas de Bombas de Calor Magnetocalóricas

A seguir não parece ser uma empresa listada publicamente que ainda venda MCHP. Contudo, é um campo muito ativo com muitas startups, frequentemente spin‑offs de pesquisas de ponta realizadas em universidades de elite. Por exemplo:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, é uma subsidiária do grupo alemão HYDAC Group(também de capital privado).
• Camfridge

Portanto, embora não seja muito fácil de acessar, pode ser uma ideia interessante para pessoas que são investidores credenciados e têm acesso a esses investimentos.

Empresa de Gadolínio

O gadolínio é uma terra rara, e 97:% da produção global (dióxido de gadolínio) é produzida pela China.

Curiosamente, o metal atualmente tem pouca aplicação além de usos de nicho, como absorção de nêutrons em alguns reatores nucleares ou agentes de contraste magnético para ressonância magnética, e, portanto, seria um recurso perfeito para ser utilizado em vez do refrigerante poluidor atualmente usado em bombas de calor.

À medida que as tensões comerciais entre EUA e China aumentam continuamente desde a primeira presidência de Trump, é provável que investidores ocidentais dispostos a apostar em terras raras, incluindo gadolínio, prefiram fontes alternativas.

Uma empresa potencial desse tipo é a Neo Materials.

A Neo Materials especializa‑se na produção de terras raras e materiais críticos. Isso inclui gadolínio, mas também outras terras raras e materiais críticos atualmente, como háfnio, nióbio, gálio e ímãs de terras raras.

Fonte: Neo Materials

Todos esses produtos são críticos para a produção de semicondutores, ímãs de turbinas eólicas, veículos elétricos, etc. E, na maioria dos casos, são fornecidos em 90‑99:% pela China.

A empresa obtém a maior parte de sua receita de “Magnequench”: pós magnéticos e ímãs de neodímio‑ferro‑boro (NdFeB) usados em motores elétricos (incluindo veículos elétricos).

A segunda maior provém de Químicos e Óxidos usados em petróleo e catalisadores químicos, híbridos e veículos elétricos, purificação de água, displays de alta eficiência, lentes ópticas, eletrônicos de consumo, etc.

Fonte: Neo Materials

As receitas da Neo também são muito diversificadas geograficamente, tornando-a mais segura contra tempestades geopolíticas do que a maioria das empresas do setor. Ela fabrica alguns produtos na China e transformou a AsiaMag, uma aquisição de 2019, nos 5 maiores fabricantes de ímãs ligados da China, aumentando seu volume de vendas em 5 vezes.

Mas também diversifica seu risco geográfico. Por exemplo, a empresa construirá notavelmente na UE (Estônia) a primeira planta de ímãs sinterizados fora da China para veículos elétricos, com a primeira produção prevista para 2025.

Fonte: Neo Materials

No geral, a Neo Materials tem a presença mais integrada na cadeia de valor de ímãs permanentes e terras raras fora da China, sendo apenas a mineração do minério bruto que não é verticalmente integrada.

A empresa também possui mais diplomas avançados em terras raras e especialistas técnicos em produtos magnéticos de terras raras do que qualquer outra empresa fora da China ou Japão. E mesmo no Japão, pode superar concorrentes locais ao assinar contratos com empresas como Honda ou Daido Steel.

Fonte: Neo Materials

Essa forte presença em materiais críticos para a transição verde, bem como em muitas aplicações de alta tecnologia, desde a fabricação de semicondutores até ligas especiais e catalisadores, torna a Neo uma boa escolha de ação para investidores que buscam exposição ao setor, com potencial de valorização caso as guerras comerciais se intensifiquem.

Referência do Estudo:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). A comprehensive review of machine learning applications in renewable energy systems. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}