Pagpapaunlad ng mga Solusyon sa HVAC gamit ang mga Electrocaloric na Materyales

Ang Malawak na Pangangailangan sa Enerhiya mula sa HVAC

Modernong industriyal na lipunan ay gumagamit ng maraming enerhiya. Isang aplikasyon na madalas naming hindi binibigyang-pansin pagdating sa paggamit ng enerhiya ay ang pagpapalamig at pag-init. Kinakatawan nito ang higit sa kalahati ng kabuuang konsumo ng enerhiya sa mundo, nangunguna sa kuryente (20%) at transportasyon (30%).

Kaya marahil higit pa sa mga EV, ang pag-elektripika ng HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) at paggawa nitong mas mahusay ay mahalaga sa pagbawas ng konsumo ng enerhiya at carbon emissions. Lalo na dahil inaasahang triplehin ng tatlong beses ang pangangailangan para sa simpleng pagpapalamig pagsapit ng 2050 dahil sa pag-unlad ng ekonomiya sa mga bansang mainit ang klima na may malaking populasyon tulad ng India at Indonesia.

Pinagmulan: Daikin

Hanggang ngayon, ang paboritong teknolohiya para makamit ang mataas na kahusayan ng HVAC ay ang mga heat pump na gumagamit ng compression cooling.

Isang bagong teknolohiya ang ngayon ay dumarating upang hamunin ang kasalukuyang kalagayan, batay sa pisikal na prinsipyo na tinatawag na “electrocaloric cooling”.

Paano Gumagana ang mga Heat Pump

All mga heat pump, mula sa compression heat pump hanggang sa hinaharap na electrocaloric heat pump, ay gumagana sa isang pangunahing prinsipyo: paglipat ng init sa halip na paglikha nito.

Ito ay napakaibang prinsipyo kumpara sa mga sistemang pag-init na batay sa fossil fuel at iba pang electric heating systems, kung saan konsumo ng kuryente o gas/karbon/krudo upang lumikha ng init.

Sa halip, ang isang heat pump ay kumukuha ng init mula sa isang panig ng pader at inililipat ito sa kabilang panig. Sa taglamig, sumisipsip ito ng init mula sa labas at ipinapasok sa gusali. Sa tag-init, binabaliktad nito ang proseso upang palamigin ang gusali at gumagana tulad ng air conditioning.

Ang paglipat ng init ay mas napakaepektibo kaysa sa paglikha nito. Ito ay nagbibigay-daan sa compression-based na heat pump na makabuo ng 2-4W ng init/palamig para sa bawat W ng konsumo ng kuryente.

Pinagmulan: RMI

Ang init ay gumagalaw papasok at palabas ng kapaligiran, na may dalawang pangunahing opsyon: paggamit ng labas na hangin o ang nakapaligid na lupa sa pamamagitan ng underground piping.

Kadalasang ginagamit ang mga heat pump upang magpainit at magpalamig ng mga gusali tulad ng opisina, komersyal na espasyo, at mga tahanan. Gayunpaman, maaari rin itong magamit sa industriyal na kapaligiran, muling paggamit ng mga pinagmumulan ng enerhiya mula sa isang proseso patungo sa isa pa, na nagdudulot ng napakalaking pagtitipid sa enerhiya dito.

Pinagmulan: Sintef

Electrocaloric Heat Pumps Upang Lumampas sa Compression

Pag-unlad sa Teknolohiyang Electrocaloric

Ang tradisyonal na mga heat pump ay gumagamit ng thermal effect ng compression at decompression upang ilipat ang init mula sa isang punto patungo sa iba. Kinakailangan nito ang mga refrigerant tulad ng hydrofluorocarbons o ammonia na may direktang o hindi direktang greenhouse effect sa klima.

Ang electrocaloric na prinsipyo ay iba. Ang isang electrocaloric system ay umiinit kapag nasasailalim sa electric fields, dahil pinapapantay nito ang mga atom sa isang direksyon, na nagbabawas ng entropy. Ang kabaligtaran ay nangyayari, nagdudulot ng pagpapalamig kapag humihinto ang electric fields.

Pinagmulan: Fraunhofer IPM

Ang mga electrocaloric effect ay kilala na mula pa noong 1960s, ngunit noon, ang pinakamalakas na temperature difference na maaaring makamit ay 2.5°C lamang.

May ilang pag-unlad noong 2006 nang isang manipis na pelikula ng lead-titanium-oxygen-zirconium ay nakamit ang 12°C na kapasidad ng pagpapalamig.

Gayunpaman, ang kamakailang breakthrough na halos 21°C na pagbabago sa temperatura, na nakamit ng mga mananaliksik ng Luxembourg Institute of Science and Technology sa Belvaux, ay nagpapakita na ang teknolohiya ay nagiging sapat na malakas para sa komersyal na aplikasyon.

Electrocaloric Prototype

Gumamit ang koponan ng polymer at lead-scandium-tantalum-oxygen (PST) multi-layer capacitors (MLC).

Pinagmulan: UPCommons

Ang mga mananaliksik mula Luxembourg ay lumikha ng isang prototype na nakamit ang pinakamataas na pagpapalamig kapag nasa ilalim ng 10V bawat micrometer ng kapangyarihan, na nagbigay ng pinakamataas na cooling na 4.2W.

Pinagmulan: Techspot

Ito ay isang radikal na pagbuti mula sa lahat ng dati nang binuo, na may temperature span at cooling power, ayon sa pagkakabanggit, 50% at 15 beses na mas malaki kaysa sa pinakamahusay na electrocaloric device dati.

Ang prototype ay nangunguna nang malayo sa lahat ng dati nang nasubukang konsepto ng electrocaloric.

Pinagmulan: UPCommons

Pinagmulan: UPCommons

Ang materyal ay nasubukan din para sa paulit-ulit na heating at cooling cycles at walang senyales ng pagkasira.

Isa sa maraming kalamangan ng mga electrocaloric system ay ang direktang paggamit ng kuryente na ginagawang compact ang EC coolers sa dami at angkop para sa miniaturization. Kaya, bukod sa mga hinaharap na heat pump, maaari rin itong magamit sa maliliit na elektronik at baterya.

Mayroon din itong napakataas na kahusayan, na posibleng mas mataas kaysa sa maasahang makamit ng compression heat pump system.

Karagdagang Pagpapabuti

Ang pananaliksik na inilathala sa journal na Science ay naglalarawan ng isang prototype. May ilang karagdagang pagpapabuti din na tinalakay.

Halimbawa, ang kasalukuyang prototype ay gumagamit ng dielectric fluid sa halip na tubig upang maiwasan ang short circuits. Gayunpaman, ang dielectric fluid na ito ay may mahihirap na thermal properties kumpara sa tubig.

Kaya, ang pag-develop ng waterproof multi-layer capacitors (MLC) ay maaaring makabuluhang mapabuti ang bilis at kapasidad ng pagpapalamig ng sistema.

Ang pagtaas ng bilang at densidad ng mga MLC ay maaari ring magdulot ng mas malaking potensyal na pagpapalamig.

Sa huli, ang mas manipis at mas patag na electrocaloric modules ay makakatulong, at hindi malinaw kung ang pag-aapply ng mas mataas na electric fields ay posible at ligtas.

Mga Advanced na Kumpanya ng Heat Pump

Sa kasalukuyan ay walang kumpanya na nagkokomersyalisa ng electrocaloric heat pump o cooling system. Ito ay nananatiling isang akademiko at applied physics na larangan.

Gayunpaman, malamang na ngayon na ang teknolohiya ay umuunlad sa antas ng kahusayan na ginagawang viable ang komersyalisasyon, ang mga research institute na ito ay maghahanap ng paraan upang i-monetize ang kanilang mga patente.

Kaya, maaaring maging kawili-wiling tingnan ang mga nangunguna sa industriya ng heat pump na maaaring makinabang mula sa pag-license ng IP para sa mga electrocaloric device.

Posible rin na ang paglikha ng commercial-grade na electrocaloric system at ang distribusyon nito sa mga end user ay magiging napaka-capital-intensive na proseso, na pabor sa pinakamalalaking manlalaro sa industriya.

1. Carrier Global

Ang Carrier ay isang lider sa HVAC (komersyal at residential), cold chain, at fire & security, na may higit sa 58,000 na empleyado. Bagaman hindi lamang heat pump ang kanilang ibinebenta, ito ay isang kategorya ng produkto na sentro ng kumpanya at nakikita nila ito bilang kinabukasan ng industriya.

Kadalasang nakatuon ito sa Americas, kung saan ang HVAC ay bumubuo ng higit sa kalahati ng kanilang benta.

Pinagmulan: Carrier Global

Mayroon itong installed base na 330,000+ komersyal na HVAC, 33 milyong residential HVAC, 1.8 milyong refrigeration equipment, at 90+ milyong fire at security systems.

Ang kumpanya ay determinadong bawasan nang malaki ang kanilang greenhouse gas (GHG) emissions pagsapit ng 2030.

Isinasaalang-alang na marami sa mga emissions na ito ay nagmumula sa ammonia coolants, ang posibilidad ng paglipat sa electrocaloric system sa hinaharap ay nag-aalok sa industriya ng isang landas pasulong kung saan ang tanging emissions ay nauugnay sa konsumo ng enerhiya at pagmimina ng metal, na mapapagana ng renewable sources.

Pinagmulan: Carrier Global

2. Daikin Industry

Ang Japanese na kumpanyang itinatag noong 1924 ay maaaring mag-angkin na ito ang number 1 na kumpanya sa mundo pagdating sa air conditioning.

Ang kumpanya ay aktibo sa larangan ng heat pump mula pa noong 2006 at nagtatag pa noong 2008 ng business alliance sa Gree Electric Appliance, ang nangungunang tagagawa ng air-conditioning sa China.

Kadalasang nagbebenta ito sa Americas, Europe, at East Asia, ngunit nakaranas din ng napakabilis na paglago sa mga pamilihan tulad ng India, na may 23x na pagtaas sa benta mula 2009 hanggang 2022.

Pinagmulan: Daikin

Isa sa mga kompetitibong lakas ng Daikin ay ang R32 coolant nito, na may mas mababang epekto sa global warming kumpara sa mga kakumpitensya.

Ibig sabihin, ang pag-usbong ng mga electrocaloric system ay maaaring sa maikling panahon ay maging banta sa kompetitibong posisyon ng kumpanya.

Pinagmulan: Daikin

Ngunit sa parehong oras, ito ay sumasalamin sa preexisting na pokus ng kumpanya sa epekto ng kapaligiran ng mga cooling system at kakayahan sa inobasyon (namuhunan ito ng $300M sa isang bagong R&D center noong 2015) at magbibigay dito ng magandang pagkakataon para sa pag-develop ng mga sistemang ito sa komersyal na sukat.

Isang matibay na indikasyon ng dedikasyon ng Daikin sa eco-friendly na inobasyon ay ang libreng access sa buong mundo sa mga basic patents para sa R32 mula 2015 at libreng access noong 2019 sa lahat ng group patents mula 2011.

3. NIBE Group

Ang mga mamumuhunan na interesado sa prospect ng mga heat pump at electrocaloric system ay maaaring maghanap ng kumpanyang ganap na nakatuon sa sektor, nang walang mga distraksyon at panganib na kaakibat ng ibang teknolohiya.

Sa kasong ito, maaaring interesado sila sa Nibe, isang European na tagagawa ng heat pump, pati na rin ng wood stove (isa pang carbon-neutral na pinagmumulan ng init).

Ang kumpanya ay orihinal na mula sa Sweden at patuloy na nagbebenta nang malaki sa mga Nordic na bansa, pati na rin sa Europe. Mayroon itong 21,333 na empleyado noong 2022.

Pinagmulan: Nibe

Ang mga heat pump ng kumpanya ay nakaiwas ng emissions ng 360,000 tonelada ng CO2 sa isang taon lamang.

Bilang isang mas nakatutok na kumpanya, ang Nibe ay kasing laki ng Daikin o Carrier pagdating sa mga heat pump lamang.

Sa pag-usbong ng pananaliksik tungkol sa mga electrocaloric material sa mga bansa tulad ng Luxembourg at Germany, maaaring buksan nito ang daan para sa mga European na kumpanya tulad ng Nibe na magtatag ng pribilehiyadong relasyon sa mga mananaliksik at maging isa sa mga unang magpapalawak ng kanilang alok lampas sa mga compression-based na heat pump.