Новые конструкции тепловых насосов отказываются от магнитов вместо хладагентов

Улучшение выработки тепла

Среди всех возможных потребностей в энергии, тепло является самым большим конечным потребителем (включая, например, электричество, преобразованное в тепло). Поэтому имеет смысл, что декарбонизация произойдет только в том случае, если производство тепла будет осуществляться максимально экологичным и эффективным способом.

Это еще далеко не все, поскольку на ископаемое топливо приходится 63% мирового потребления энергии для отопления зданий, что всего на 4 процентных пункта меньше, чем в 2010 году.

Источник: МЭА

Это является серьезным препятствием для любого сценария с нулевым уровнем выбросов, требуя по меньшей мере таких же усилий, как и переход с индивидуальных средств передвижения на электромобили.

На данный момент основным методом является использование тепловых насосов, которые вместо сжигания материалов для производства тепла перемещают его из одной точки в другую.

Даже если они более эффективны, тепловые насосы все еще могут быть улучшены. Это то, над чем работают исследователи из Национальной лаборатории Эймса (США) и Университета штата Айова, с новым типом теплового насоса, называемым «магнитокалорический тепловой насос».

Недавно они опубликовали свои последние результаты в журнале Applied Energy под заголовком «Масштабируемая и компактная технология магнитокалорического теплового насоса¹».

Как работают традиционные кучные насосы?

Основная концепция теплового насоса — «захват» энергии в одном месте и перенос ее в другое.

Обычно он извлекает тепло из окружающей среды вокруг дома или других зданий и возвращает его обратно.

Поскольку тепло фактически не вырабатывается, а только перемещается, он может демонстрировать показатели эффективности выше 100% при измерении в ватт-часах (Вт·ч) потребленной электроэнергии.

Эта система также более многофункциональна, чем традиционная система отопления, поскольку она может работать и в обратном направлении. Поэтому в большинстве случаев она может также использоваться в качестве охлаждения в летние месяцы.

Источник: Склад тепловых насосов

Типичный тепловой насос использует систему сжатия газа для перемещения тепла, поскольку газы поглощают или выделяют тепло при сжатии/разряжении.

Сжатие газа является наиболее распространенным методом, поскольку это очень известная технология, использующая клапаны, трубы и компрессоры, не сильно отличающиеся от тех, что использовались десятилетия назад.

Однако это может оказаться не самой лучшей конструкцией теплового насоса, поскольку магнит становится серьезным конкурентом.

Типы тепловых насосов

Различные конструкции тепловых насосов отличаются по нескольким параметрам, в том числе: где они извлекают энергию, куда ее направляют и адаптированы ли они к холодному климату или нет.

EИсточники энергии

• Наземный источник: Также известные как геотермальные тепловые насосы, они используют тепло земли и известны своей высокой эффективностью.
• Источник воздуха: Самый распространенный тип: они извлекают тепло из воздуха и их проще устанавливать, чем геотермальные насосы.
• Источник воды: Они используют близлежащие источники воды, такие как озера или колодцы, для теплообмена.

Установка:

• Канальные: Интегрированные в систему воздуховодов дома, они обеспечивают централизованное отопление и охлаждение.
• Мини-сплит: Идеально подходят для домов без воздуховодов, они позволяют индивидуально контролировать температуру в помещении.

Климат

• Холодный климат: Эти тепловые насосы, специально разработанные для регионов с суровыми зимами, сохраняют эффективность даже при очень низких температурах благодаря таким усовершенствованным функциям, как компрессоры с регулируемой скоростью.
• Нормальный климат: Эти стандартные тепловые насосы идеально подходят для умеренного климата и подходят для типичных нужд в отоплении и охлаждении.

Метод теплопередачи

• Сжатие газа: Работает достаточно хорошо, с простой и известной технологией.
• Магниты: Подвид более крупного «твердотельного» калорического теплового насоса, не требующего охлаждающей жидкости.

Технология магнитокалорического теплового насоса (MCHP)

В МКТП используются принципы магнитокалорического эффекта, т.е. охлаждения или нагрева магнитных материалов путем изменения внешнего магнитного поля.

Источник: DST

Теоретически это может быть гораздо лучшей системой, поскольку она устраняет необходимость в хладагентах, которые, как правило, токсичны и/или вредны для окружающей среды и очень часто вытекают из традиционных тепловых насосов, особенно по мере старения оборудования.

За прошедшие годы было предложено множество различных конструкций магнитокалорических тепловых насосов с использованием различных установок:

• Различная напряженность магнитных полей.
• Различные магнитокалорические материалы, такие как чистый гадолиний, сплавы гадолиния и сплавы LaFeSi (лантан-железо-кремний).
• Различные формы магнитокалорического материала.

Эти системы продемонстрировали эффективность выше, чем у лучших парокомпрессионных систем. Их температурный диапазон и тепловая мощность также хорошо совпали.

Однако еще предстояло продемонстрировать, что эти системы могут сравниться с традиционными тепловыми насосами по стоимости, массе и размерам, а все эти факторы имеют важное значение для потенциального коммерческого успеха.

Переменная производительность

Исследователи измерили плотность мощности системы (SPD) различных предлагаемых конструкций MCHP, или тепловую мощность в ваттах, деленную на массу устройства в кг.

В существующей научной литературе приводится широкий диапазон значений SPD — от ~1 до 40 Вт/кг.

Интересно, что две из конструкций с самым высоким SPD имели совершенно разные подходы: одна использовала высокие магнитные поля на высоких частотах, а другая использовала низкие поля на низких частотах. Так что, вероятно, существует несколько подходов, каждый из которых технически жизнеспособн.

Конкуренция с компрессорами

Исследователи изучили множество способов повышения СПД, области исследований, которая до сих пор игнорировалась, с абсолютной эффективностью и в большей степени находится в центре внимания исследователей материаловедения.

Однако именно СПД, скорее всего, будет иметь наибольшее значение для массового внедрения таких тепловых насосов, поскольку ни один конечный пользователь, как потребитель, так и застройщик, не примет тепловые насосы размером с целую комнату или слишком тяжелые, чтобы их было легко переносить.

Они использовали различные методы:

• Вариант используемого магнитного сплава:
  • Мощность на единицу массы составила 374 Вт/кг только для гадолиния.
  • Только для материалов на основе LaFeSi этот показатель составил 854 Вт/кг.
• Различные конструкции магнитного материала: от пластин до бусин.
• Различные магнитные импульсы, различающиеся по частоте и интенсивности.

В ходе этого систематического тестирования исследователи обнаружили, что с технического базового значения 5.9 Вт/кг системы MCHP можно повысить до 81.3 Вт/кг, что означает почти 14-кратное увеличение плотности мощности системы.

Из этих результатов следует, что MCHP могут почти соответствовать SPD некоторых используемых в настоящее время компрессорных тепловых насосов, особенно при низкой или средней мощности охлаждения (<200 Вт).

Компании, производящие магнитокалорические тепловые насосы

Следующая компания, похоже, не является публичной, но в настоящее время продает MCHP. Тем не менее, это очень активная область со множеством стартапов, часто спин-оффов передовых исследований, проводимых в ведущих университетах. Например:

• магнето
• Магнотерм
• CoolTech, является дочерней компанией немецкой Группа компаний HYDAC(также частная).
• Кэмфридж

Таким образом, хотя доступ к этому проекту не очень прост, он может быть интересной идеей для людей, которые являются аккредитованными инвесторами и имеют доступ к таким инвестициям.

Компания Гадолиний

Гадолиний — редкоземельный металл, 97% мирового производства которого (диоксид гадолиния) приходится на Китай.

Интересно, что в настоящее время этот металл не имеет широкого применения, за исключением узкоспециализированного использования, например, в качестве нейтронного абсорбера в некоторых ядерных реакторах или магнитного контрастного вещества для МРТ, и поэтому мог бы стать идеальным ресурсом для использования вместо загрязняющего хладагента, который в настоящее время используется в тепловых насосах.

Поскольку торговая напряженность между США и Китаем постоянно растет с момента первого президентства Трампа, вполне вероятно, что любые западные инвесторы, желающие сделать ставку на редкоземельные металлы, включая гадолиний, предпочтут альтернативные источники.

Такой потенциальной компанией является Neo Materials.

Neo Materials специализируется на производстве редкоземельных и критических материалов. Сюда входит гадолиний, а также другие критические в настоящее время редкоземельные элементы и материалы, такие как гафний, ниобий, галлий и редкоземельные магниты.

Источник: Нео Материалы

Вся эта продукция имеет решающее значение для производства полупроводников, магнитов ветряных турбин, электромобилей и т. д. И в большинстве случаев на 90–99% поставляется Китаем.

Компания получает большую часть своих доходов от «Магнеквэнч”: магнитные порошки и магниты на основе неодима-железа-бора (NdFeB), используемые в электродвигателях (включая электромобили).

На втором месте находится отрасль «Химические вещества и оксиды», используемая в нефтяной промышленности и химических катализаторах, гибридных автомобилях и электромобилях, очистке воды, высокоэффективных дисплеях, оптических линзах, бытовой электронике и т. д.

Источник: Нео Материалы

Доходы Neo также очень диверсифицированы географически, что делает ее более защищенной от геополитических штормов, чем большинство компаний в этом секторе. Компания производит некоторые продукты в Китае и даже превратила AsiaMag, приобретение 2019 года, в топ-5 крупнейших производителей магнитов в Китае, увеличив объем продаж в 5 раз.

Но это также диверсифицирует географический риск. Например, компания, в частности, построит в ЕС (Эстония) первый за пределами Китая завод по производству спеченных магнитов для электромобилей, причем первое производство ожидается в 2025 году.

Источник: Нео Материалы

В целом, Neo Materials имеет наиболее интегрированное присутствие в цепочке создания стоимости постоянных магнитов и редкоземельных металлов за пределами Китая, занимаясь только добычей сырой руды, а не вертикально интегрированной деятельностью.

Компания также имеет больше ученых степеней в области редкоземельных металлов и технических экспертов по магнитным продуктам из редкоземельных металлов, чем любая другая компания за пределами Китая или Японии. И даже в Японии она может обойти местных конкурентов, подписав контракты с такими компаниями, как Honda или Daido Steel.

Источник: Нео Материалы

Такое сильное присутствие в материалах, имеющих решающее значение для перехода на зеленую экономику, а также во многих высокотехнологичных приложениях — от производства полупроводников до специальных сплавов и катализаторов — делает акции Neo хорошим выбором для инвесторов, желающих вложить средства в этот сектор, с потенциальным ростом в случае обострения торговых войн.

Ссылка на исследование:

^{1. Чжан, И., Ли, Х., Ван, З. и Чэнь, Х. (2024). Комплексный обзор приложений машинного обучения в системах возобновляемой энергии. Прикладная Энергия, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}