Nya värmepumpsdesigner eliminerar kylmedel till förmån för magneter

Förbättra värmeproduktion

Bland alla möjliga energibehov är värme den största slutförbrukningen (inklusive exempelvis el som omvandlas till värme). Så det är logiskt att avkarbonisering bara kan ske om värmeproduktionen sker på det mest miljövänliga sättet och mycket effektivt.

Det är långt ifrån färdigt, eftersom fossila bränslen står för 63 % av den globala energianvändningen för byggnadsrelaterad uppvärmning, en minskning med endast fyra procentenheter sedan 2010.

Källa: IEA

Detta är ett stort hinder för alla nettonoll-scenarier och kräver åtminstone lika mycket ansträngning som att byta individuella transportmedel till elbilar.

För närvarande har huvudmetoden varit att vända sig mot värmepumpar, som istället för att bränna material för att producera värme, flyttar den från en punkt till en annan.

Även om de är mer effektiva kan värmepumpar fortfarande förbättras. Detta är vad forskare vid Ames National (ATLO ) Laboratory (USA) och Iowa State University arbetar med, med en ny typ av värmepump kallad ”magnetokalorisk värmepump”.

De publicerade nyligen sina senaste resultat i tidskriften Applied Energy, under titeln “Scalable and compact magnetocaloric heat pump technology¹“.

Hur fungerar traditionella heap-pumpar?

Huvudkonceptet för en värmepump är att ”ta” energi på ett ställe och transportera den till ett annat.

Vanligtvis extraherar den värme från omgivningen runt ett hus eller andra byggnader och injicerar den tillbaka inomhus.

Eftersom ingen värme faktiskt genereras, bara flyttas, kan den visa verkningsgrader över 100 % när de mäts i Wattimmar (Wh) av förbrukad elektricitet.

Detta system är också mer mångsidigt än ett traditionellt värmesystem, eftersom det även kan fungera i omvänd riktning. Så i de flesta fall kan det även fungera som kylning under sommarmånaderna.

Källa: The Heat Pump Warehouse

Den typiska värmepumpen använder ett system med gaskompression för att flytta värmen, eftersom gaser absorberar eller avger värme när de komprimeras/dekomprimeras.

Gaskompression är den mest använda metoden, eftersom det är en välkänd teknik som förlitar sig på ventiler, rör och kompressorer som inte skiljer sig så mycket från de som användes för decennier sedan.

Detta kan dock inte vara den bästa möjliga värmepumpsdesignen, där magneter blir en stark konkurrent.

Typer av värmepumpar

Olika värmepumpsdesigner skiljer sig på flera sätt, inklusive var de extraherar energin, var de skickar den och om de är anpassade för kalla klimat eller inte.

Energikällor

• Markkälla: Även kända som geotermiska värmepumpar, utnyttjar de värme från marken och är kända för sin höga effektivitet.
• Luftkälla: Den vanligaste typen, de extraherar värme från luften och är enklare att installera än markvärmepumpar.
• Vattenkälla: Dessa använder närliggande vattenkällor som sjöar eller brunnar för värmeutbyte.

Installation

• Kanalansluten: Integrerad i ett hems kanaldragning, dessa ger centraliserad uppvärmning och kylning.
• Mini-split: Idealiskt för hus utan kanaler, dessa möjliggör individuell kontroll av rumstemperaturer.

Klimat

• Kallt klimat: Speciellt utformade för regioner med hårda vintrar, dessa värmepumpar behåller effektiviteten även vid extremt låga temperaturer tack vare avancerade funktioner som variabel hastighetskompressorer.
• Normal klimat: Idealiska för måttliga klimat, dessa är standardvärmepumpar som passar för typiska uppvärmnings- och kylbehov.

Värmeöverföringsmetod

• Gaskompression: Fungerar rimligt bra, med enkel, känd teknik.
• Magneter: En del av den större ”solid-state” kaloriska värmepumpen, som inte kräver kylmedium.

Magnetokalorisk värmepump (MCHP) teknik

MCHP använder principerna för magnetokaloriska effekter, dvs. kylning eller uppvärmning av magnetiska material genom variation av ett externt applicerat magnetfält.

Källa: DST

I teorin kan detta vara ett mycket bättre system, eftersom det eliminerar behovet av kylmedelsmaterial, som generellt är giftiga och/eller miljöskadliga och ofta läcker från traditionella värmepumpar, särskilt när utrustningen blir äldre.

Genom åren har många olika designer för magnetokaloriska värmepumpar föreslagits med olika konfigurationer:

• Olika styrkor på magnetfält.
• Olika magnetokaloriska material, såsom rent gadolinium, gadoliniummaterial och LaFeSi-legeringar (lantan-järn-silikon).
• Olika former på det magnetokaloriska materialet.

Dessa system har visat en effektivitet som överstiger de bästa vapor-kompressionssystemen. Deras temperaturspann och termiska kraft var också väl matchade.

Det har dock ännu inte bevisats att dessa system kan matcha traditionella värmepumpar när det gäller kostnader, massa och storlek, vilket är viktiga faktorer för potentiell kommersiell framgång.

Variabel prestanda

Forskarna mätte systemets effektdensitet (SPD) för olika föreslagna MCHP-designer, dvs. den termiska effekten i watt delat med enhetens massa i kg.

Den befintliga vetenskapliga litteraturen visar en stor variation av SPD, som sträcker sig från cirka 1 till 40 W/kg.

Intressant nog hade två av de designer med högst SPD helt olika tillvägagångssätt: den ena använde starka magnetfält vid hög frekvens, och den andra använde låga fält vid låg frekvens. Så det finns sannolikt flera tillvägagångssätt som alla är tekniskt genomförbara.

Konkurrera med kompressorer

Forskarna har undersökt flera sätt att öka SPD, ett forskningsområde som tidigare har försummats, med absolut effektivitet och mer fokus från materialvetenskapsforskare.

Det är dock SPD som sannolikt kommer att vara den viktigaste faktorn för massadoption av sådana värmepumpar, eftersom inga slutanvändare, vare sig konsumenter eller byggare, kommer att acceptera värmepumpar i storlek av ett helt rum eller för tunga för att enkelt hanteras.

• Variation av det använda magnetlegeringen:
  • Effekten per massa var 374 W/kg för rent gadolinium.
  • Den var 854 W/kg för enbart LaFeSi-baserade material.
• Olika designer av det magnetiska materialet, från plattor till kulor.
• Olika magnetiska impulser, varierande i frekvens och intensitet.

Genom denna systematiska testning fann forskarna att från en teknisk baslinje på 5,9 W/kg kan MCHP-system ökas till 81,3 W/kg, vilket motsvarar en nästan 14‑faldig ökning av systemets effektdensitet.

Utifrån dessa resultat verkar det som att MCHP kan nästan matcha SPD för vissa nuvarande kompressorbaserade värmepumpar, särskilt för låg eller måttlig kylkapacitet (< 200 W).

Företag som tillverkar magnetokaloriska värmepumpar

Den nästa verkar inte vara ett börsnoterat företag som ännu säljer MCHP. Det är dock ett mycket aktivt område med många startups, ofta spin‑offs från banbrytande forskning vid ledande universitet. Till exempel:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, är ett dotterbolag till den tyska HYDAC Group (även privatägt).
• Camfridge

Så, även om det inte är särskilt lätt att få tillgång till, kan det vara en intressant idé för personer som är ackrediterade investerare och har tillgång till sådana investeringar.

Gadoliniumföretag

Gadolinium är en sällsynt jordartsmetall, och 97 % av den globala produktionen (gadoliniumdioxid) produceras av Kina.

Intressant nog har metallen för närvarande få tillämpningar förutom nischade användningar som neutronabsorption i vissa kärnreaktorer eller magnetiska kontrastmedel för MR, och skulle därför vara en perfekt resurs att utnyttja istället för förorenande kylmedel som för närvarande används i värmepumpar.

Eftersom handelsspänningarna mellan USA och Kina har kontinuerligt ökat sedan Trumps första mandatperiod, är det sannolikt att västerländska investerare som är villiga att satsa på sällsynta jordartsmetaller, inklusive gadolinium, kommer att föredra alternativa källor.

Ett sådant potentiellt företag är Neo Materials.

Neo Materials specialiserar sig på produktion av sällsynta jordartsmetaller och kritiska material. Detta inkluderar gadolinium, men även andra för närvarande kritiska sällsynta jordartsmetaller och material, såsom hafnium, niobium, gallium och sällsynt jordmagnet.

Källa: Neo Materials

Alla dessa produkter är kritiska för produktion av halvledare, magneter för vindkraftverk, elbilar osv. Och i de flesta fall levereras de till 90–99 % av Kina.

Företaget får största delen av sina intäkter från “Magnequench”: neodym-järn-bor (NdFeB) magnetpulver och magneter som används i elmotorer (inklusive elbilar).

Den näst största intäkten kommer från kemikalier och oxider som används i petroleum- och kemikatalysatorer, hybrid- och elbilar, vattenrening, högpresterande skärmar, optiska linser, konsumentelektronik osv.

Källa: Neo Materials

Neo gör också sina intäkter mycket geografiskt diversifierade, vilket gör dem säkrare mot geopolitiska stormar än de flesta företag i denna sektor. Företaget tillverkar vissa produkter i Kina och har till och med gjort AsiaMag, ett förvärv från 2019, till en av de fem största tillverkarna av bundna magneter i Kina genom att femdubbla sin försäljningsvolym.

Men det diversifierar också sin geografiska risk. Till exempel kommer företaget att bygga i EU (Estland) den första sintrade magnetanläggningen utanför Kina för elbilar, med den första produktionen förväntad 2025.

Källa: Neo Materials

Sammanfattningsvis har Neo Materials den mest integrerade närvaron i värdekedjan för permanenta magneter och sällsynta jordartsmetaller i Kina, med endast gruvdrift av råmalm som inte är vertikalt integrerad.

Företaget har också fler avancerade grader och tekniska experter inom sällsynta jordartsprodukter än något annat företag utanför Kina eller Japan. Och även i Japan kan de slå lokala konkurrenter om att teckna avtal med företag som Honda eller Daido Steel.

Källa: Neo Materials

Denna starka närvaro i material som är kritiska för den gröna omställningen, samt många högteknologiska tillämpningar från halvledartillverkning till speciallegeringar och katalysatorer, gör Neo till ett bra aktieval för investerare som söker exponering mot sektorn, med en potentiell uppsida vid förvärrade handelstvister.

Studierreferens:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). En omfattande översikt av maskininlärningsapplikationer i förnybara energisystem. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}