Framsteg inom HVAC-lösningar med elektrokaloriska material

Den enorma energiefterfrågan från HVAC

Det moderna industrisamhället använder mycket energi. Uppvärmning och kylning är viktiga användningsområden som lätt underskattas. Värme stod för nästan hälften av världens slutliga energianvändning 2022, inklusive industriprocesser, matlagning och uppvärmning av byggnader och vatten.

Att elektrifiera och effektivisera värme, ventilation och luftkonditionering, ofta sammanfattat som HVAC, kan därför minska energianvändning och utsläpp. Utan ytterligare effektivisering väntas elanvändningen för luftkonditionering öka kraftigt till 2050, bland annat i varma och folkrika länder som Indien och Indonesien.

Källa: Daikin

Fram till nu har den föredragna tekniken för att uppnå hög effektivitet i HVAC varit värmepumpar som använder kompressionskylning.

En teknik under utveckling bygger på den elektrokaloriska effekten och kan på sikt komplettera eller utmana kompressionsbaserade system.

Hur värmepumpar fungerar

Alla värmepumpar, från kompressionsbaserade system till framtida elektrokaloriska varianter, bygger på att flytta värme i stället för att enbart alstra den.

Det skiljer sig från exempelvis direktverkande elvärme och pannor, där el eller bränslen som gas, kol och olja omvandlas till värme.

En värmepump tar i stället upp värme på en plats och avger den på en annan. På vintern kan den hämta värme utomhus och föra in den i byggnaden. Ett reversibelt system kan på sommaren arbeta åt motsatt håll och kyla byggnaden.

Att flytta värme kräver normalt mindre energi än att alstra motsvarande mängd med direktverkande el. En kompressionsvärmepump kan exempelvis leverera 2–4 W värme per watt tillförd el, beroende på temperaturer och driftförhållanden. Kyleffekten bedöms separat.

Källa: RMI

Värmeutbytet kan ske med uteluften eller med marken, i det senare fallet genom nedgrävda rör. Även andra värmekällor förekommer.

Värmepumpar används i bostäder, kontor och andra byggnader. De kan också återvinna värme i industrin och överföra energi från en process till en annan, vilket kan ge betydande besparingar.

Källa: Sintef

Elektrokaloriska värmepumpar som alternativ till kompression

Framsteg inom elektrokalorisk teknik

Traditionella värmepumpar flyttar värme med ett köldmedium som förångas och kondenseras när trycket ändras. Vissa fluorerade köldmedier är kraftiga växthusgaser om de läcker ut. Ammoniak har däremot inget betydande direkt klimatbidrag som köldmedium, även om energianvändningen kan ge indirekta utsläpp.

Den elektrokaloriska principen fungerar annorlunda. Ett elektriskt fält ändrar ordningen hos elektriska dipoler i ett material. Under lämpliga förhållanden stiger temperaturen när fältet läggs på och sjunker när det tas bort. Genom en arbetscykel och värmeväxling kan detta användas för kylning.

Källa: Fraunhofer IPM

Den elektrokaloriska effekten har studerats i många årtionden. Äldre material gav ofta små temperaturförändringar, vilket begränsade deras praktiska användning.

Ett viktigt framsteg rapporterades 2006, då en tunn film av blyzirkonattitanat uppvisade en elektrokalorisk temperaturförändring på omkring 12 °C.

Ett senare system utvecklat av forskare vid Luxembourg Institute of Science and Technology in Belvaux uppnådde ett temperaturspann på nästan 21 °C. Det är ett lovande forskningsresultat, men visar inte i sig att tekniken är färdig för kommersiella HVAC-system.

Elektrokalorisk prototyp

Forskarna använde flerskiktskondensatorer, MLC, med det elektrokaloriska materialet blyskandiumtantalat, PST.

Källa: UPCommons

Prototypen uppnådde ett maximalt temperaturspann på 20,9 K och en maximal kyleffekt på 4,2 W vid ett elektriskt fält på 10 V per mikrometer. V per mikrometer anger fältstyrka, inte elektrisk effekt. Maxvärdena beskriver olika driftförhållanden och ska inte tolkas som samtidig prestanda.

Källa: Techspot

Enligt forskarnas jämförelse var temperaturspannet ungefär 50 procent större och den maximala kyleffekten omkring 15 gånger högre än i tidigare jämförbara elektrokaloriska anordningar.

Resultaten innebar därför ett tydligt framsteg för denna typ av experimentella kylsystem.

Källa: UPCommons

Källa: UPCommons

Materialet utsattes också för upprepade uppvärmnings- och kylningscykler utan observerad nedbrytning i försöken. Det är inte samma sak som verifierad livslängd i en kommersiell installation.

Elektrokaloriska material kan användas i kompakta konstruktioner. Förutom framtida värmepumpar undersöks därför möjligheten att kyla mindre elektronik och batterier.

Försöken visar potential för hög verkningsgrad. Att överträffa etablerade kompressionssystem i praktisk drift kräver dock ytterligare utveckling och jämförbara systemtester.

Ytterligare förbättringar

Forskningen publicerad i tidskriften Science beskriver en prototyp och diskuterar flera möjliga förbättringar.

Prototypen använder en elektriskt isolerande vätska för att undvika kortslutning. Den har sämre värmeöverföringsegenskaper än vatten.

Vattentäta flerskiktskondensatorer skulle därför kunna göra det möjligt att förbättra värmeöverföringen och kyleffekten.

Fler och tätare placerade kondensatorer kan också öka systemets kylkapacitet.

Tunnare och planare elektrokaloriska moduler kan vara en annan förbättring. Högre elektriska fält måste prövas med hänsyn till isolering, säkerhet och materialens hållbarhet.

Avancerade företag inom värmepumpar

Den beskrivna tekniken befann sig under 2024 fortfarande på forsknings- och prototypstadiet, snarare än som en etablerad produkt för uppvärmning och kylning av byggnader.

Om prestanda, livslängd och kostnader förbättras kan forskningsinstituten söka kommersiella partner eller licensiera patent. Det är en möjlighet, inte en säker följd av resultaten.

Etablerade värmepumpstillverkare kan vara tänkbara samarbetspartner om de väljer att investera i elektrokalorisk teknik.

Att utveckla, tillverka och distribuera kommersiella system kan kräva betydande kapital. Större företag kan ha resurser för detta, men tekniska och ekonomiska risker kvarstår.

1. Carrier Global

Carrier är en stor leverantör inom HVAC för bostäder och kommersiella byggnader. Företagets verksamhet har även omfattat kylkedja samt brand & säkerhet. De angivna verksamhetsområdena och över 58 000 anställda beskriver företagets dåvarande struktur; avyttringar och förvärv förändrar omfattningen. Värmepumpar är en viktig del av dess satsning på effektivare uppvärmning.

Amerika var en stor marknad och HVAC stod för mer än hälften av försäljningen i den struktur som artikelns företagsöversikt beskriver.

Källa: Carrier Global

Företaget angav då en installerad bas på över 330 000 kommersiella HVAC-system, 33 miljoner bostadssystem, 1,8 miljoner kylutrustningar och över 90 miljoner brand- och säkerhetssystem. Det är historiska uppgifter, inte nödvändigtvis den kvarvarande verksamhetens omfattning efter avyttringar.

Carrier har satt mål för att minska växthusgasutsläpp fram till 2030, bland annat genom effektivare produkter och köldmedier med lägre klimatpåverkan.

Elektrokalorisk kylning skulle kunna minska beroendet av vissa fluorerade köldmedier. Tekniken blir dock inte automatiskt utsläppsfri: elproduktion, material, tillverkning och hela livscykeln spelar roll. Ammoniak ska inte anges som en betydande direkt växthusgas i detta sammanhang.

Källa: Carrier Global

2. Daikin Industries

Japanska Daikin grundades 1924 och är en av världens största tillverkare av luftkonditioneringsutrustning.

Företaget har länge arbetat med värmepumpar och ingick 2008 en affärsallians med Gree Electric Appliances, en stor kinesisk tillverkare av luftkonditioneringsutrustning.

Daikin har stora marknader i Amerika, Europa och Östasien. Även Indien växte snabbt; enligt företagets dåvarande uppgifter ökade försäljningen där ungefär 23 gånger mellan 2009 och 2022.

Källa: Daikin

Daikin har främjat köldmediet R32, som har lägre global uppvärmningspotential än exempelvis R410A. Det är däremot inte lägre än alla konkurrerande köldmedier och är fortfarande en växthusgas.

Om elektrokalorisk kylning blir kommersiellt konkurrenskraftig kan den förändra efterfrågan på konventionella system. Det innebär både en möjlig utmaning och ett utvecklingsområde för Daikin.

Källa: Daikin

Samtidigt har företaget erfarenhet av miljöinriktad produktutveckling och forskning. Exempelvis investerade det omkring 300 miljoner dollar i ett nytt forsknings- och utvecklingscentrum 2015. Sådana resurser kan vara relevanta för framtida teknikutveckling, men bevisar inte att företaget kommer att kommersialisera elektrokaloriska system.

Daikin utvidgade 2015 den kostnadsfria tillgången till vissa grundläggande patent för R32-utrustning till hela världen. År 2019 utökades patentåtagandet till ytterligare relevanta patent som sökts sedan 2011. Det omfattade inte alla koncernens patent.

3. NIBE Group

Investerare som vill ha exponering mot värmepumpar kan också undersöka företag med en större andel verksamhet inom området. Det innebär fortfarande företags- och marknadsrisker.

Ett exempel är svenska NIBE, en europeisk tillverkare av värmepumpar och bland annat braskaminer. Vedeldning är inte automatiskt klimatneutral; utsläpp och klimatpåverkan beror på bland annat bränslets ursprung, förbränningen och tidsperspektivet.

NIBE har sitt ursprung i Sverige och en betydande verksamhet i Norden och övriga Europa. År 2022 hade koncernen 21 333 anställda.

Källa: Nibe

Företaget uppskattade att dess värmepumpar minskade koldioxidutsläppen med 360 000 ton under ett år. Uppskattningen beror på jämförelsealternativ och antaganden och är inte ett generellt utsläppsvärde för varje installation.

NIBE är en betydande aktör inom värmepumpar. Det ger dock inte stöd för att utan jämförbara marknadsdata likställa dess storlek med Daikin eller Carrier i alla delar av segmentet.

Forskningen i bland annat Luxemburg och Tyskland kan skapa möjligheter till samarbete för europeiska tillverkare som NIBE. Eventuella licensavtal eller elektrokaloriska produkter är framtida möjligheter, inte redan etablerade delar av företagets erbjudande.