Mga Bagong Disenyo ng Heat Pump na Inaalis ang mga Refrigerant sa Halip na mga Magnet

Pagpapabuti ng Pagbuo ng Init

Sa lahat ng posibleng pangangailangan sa enerhiya, init ang pinakamalaking paggamit (kasama, halimbawa, ang elektrisidad na ginawang init). Kaya makatuwiran na ang dekarbonisasyon ay magaganap lamang kung ang pagbuo ng init ay gagawin sa pinaka-berde na paraan, at napakaepektibo.

Hindi pa ito natatapos, dahil ang mga fossil fuel ay kumakatawan sa 63% ng pandaigdigang paggamit ng enerhiya para sa pag-init ng mga gusali, na bumaba lamang ng 4 na porsyento mula noong 2010.

Pinagmulan: IEA

Ito ay isang malaking hadlang sa anumang net-zero na senaryo, na nangangailangan ng halos katumbas na pagsisikap tulad ng pagpapalit ng mga indibidwal na paraan ng transportasyon sa mga EV.

Sa ngayon, ang pangunahing paraan ay ang pagtuon sa mga heat pump, na sa halip na magsunog ng mga bagay upang lumikha ng init, ay naglilipat nito mula sa isang punto patungo sa iba.

Kahit na mas epektibo ang mga ito, maaari pa ring mapabuti ang mga heat pump. Ito ang pinagtatrabahuhan ng mga mananaliksik sa Ames National (ATLO ) Laboratory (USA) at Iowa State University, na may bagong uri ng heat pump na tinatawag na “magnetocaloric heat pump”.

Nailathala nila kamakailan ang kanilang pinakabagong resulta sa journal Applied Energy, sa pamagat na “Nasusukat at compact na teknolohiya ng magnetocaloric heat pump¹”.

Paano Gumagana ang Tradisyonal na Heap Pump?

Ang pangunahing konsepto ng isang heat pump ay “kunin” ang enerhiya sa isang lugar, at dalhin ito sa isa pang lugar.

Karaniwan, ito ay kumukuha ng init mula sa kapaligiran sa paligid ng isang bahay o iba pang mga gusali at ibinabalik ito sa loob.

Dahil walang aktwal na pagbuo ng init, kundi paglipat lamang, maaari itong magpakita ng antas ng kahusayan na higit sa 100% kapag sinusukat sa Watt-oras (Wh) ng konsumo ng kuryente.

Ang sistemang ito ay mas maraming gamit kaysa sa tradisyonal na sistema ng pag-init, dahil maaari rin itong gumana nang pabaliktad. Kaya sa karamihan ng mga kaso, maaari rin itong magsilbing cooling tuwing mga buwan ng tag-init.

Pinagmulan: The Heat Pump Warehouse

Ang tipikal na heat pump ay gumagamit ng sistema ng gas compression upang ilipat ang init, dahil ang mga gas ay sumisipsip o naglalabas ng init kapag kinompres o dinecompress.

Ang gas compression ang pinaka-karaniwang ginagamit na pamamaraan, dahil ito ay isang kilalang teknolohiya, na umaasa sa mga balbula, tubo, at compressor na halos katulad ng ginamit ilang dekada na ang nakalilipas.

Gayunpaman, maaaring hindi ito ang pinakamainam na disenyo ng heat pump, kung saan ang magnet ay nagiging matinding kakompetensya.

Mga Uri ng Heat Pump

Ang iba’t ibang disenyo ng heat pump ay nagkakaiba sa ilang paraan, kabilang kung saan nila kinukuha ang enerhiya, kung saan nila ito ipinapadala, at kung angkop ba sila sa malamig na klima o hindi

Pinagmumulan ng Enerhiya

• Pinagmulan sa Lupa: Kilala rin bilang geothermal heat pumps, kinukuha nila ang init mula sa lupa at kilala sa kanilang mataas na kahusayan.
• Pinagmulan sa Hangin: Ang pinaka-karaniwang uri, kinukuha nila ang init mula sa hangin at mas madaling i-install kaysa sa mga ground-source pump.
• Pinagmulan sa Tubig: Gumagamit ang mga ito ng malapit na pinagkukunan ng tubig tulad ng mga lawa o balon para sa palitan ng init.

Pag-install

• May Duct: Isinasama sa ductwork ng bahay, nagbibigay ito ng sentralisadong pag-init at paglamig.
• Mini-Split: Angkop para sa mga bahay na walang duct, nagbibigay ito ng indibidwal na kontrol sa temperatura ng mga silid.

Klima

• Malamig na Klima: Espesyal na dinisenyo para sa mga rehiyon na may matinding taglamig, pinapanatili ng mga heat pump na ito ang kahusayan kahit sa napakalamig na temperatura dahil sa mga advanced na tampok tulad ng variable-speed compressors.
• Normal na Klima: Angkop para sa katamtamang klima, ito ay mga karaniwang heat pump na angkop para sa tipikal na pangangailangan sa pag-init at paglamig.

Paraan ng Paglipat ng Init

• Gas compression: Gumagana nang maayos, gamit ang simpleng, kilalang teknolohiya.
• Magnets: Isang subset ng mas malaking “solid-state” caloric heat pump, na hindi nangangailangan ng coolant.

Teknolohiya ng Magnetocaloric Heat Pump (MCHP)

Gumagamit ang MCHP ng mga prinsipyo ng magnetocaloric effect, o ang pagpapalamig o pag-init ng mga magnetic na materyales sa pamamagitan ng pagbabago ng externally applied na magnetic field.

Pinagmulan: DST

Sa teorya, maaaring ito ay mas mahusay na sistema, dahil inaalis nito ang pangangailangan para sa mga refrigerant na materyales, na karaniwang nakakalason at/o nakakasira sa kapaligiran, madalas tumatagas mula sa tradisyonal na mga heat pump, lalo na kapag ang kagamitan ay tumanda na.

Sa paglipas ng mga taon, maraming iba’t ibang disenyo para sa magnetocaloric heat pump ang iminungkahi gamit ang iba’t ibang setup:

• Iba’t ibang lakas ng magnetic field.
• Iba’t ibang magnetocaloric na materyales, tulad ng purong gadolinium, mga alloy ng gadolinium, at mga LaFeSi alloy (lanthanum-iron-silicon).
• Iba’t ibang hugis ng magnetocaloric na materyal.

Ipinakita ng mga sistemang ito ang kahusayan na mas mataas kaysa sa pinakamahusay na vapor-compression system. Ang kanilang temperature span at thermal power ay maganda ring nagkatugma.

Gayunpaman, hindi pa napapatunayan na ang mga sistemang ito ay maaaring tumugma sa tradisyonal na mga heat pump pagdating sa gastos, bigat, at laki, na lahat ay mahalagang konsiderasyon para sa potensyal na komersyal na tagumpay.

Variable na Pagganap

Sinukat ng mga mananaliksik ang System power density (SPD) ng iba’t ibang iminungkahing disenyo ng MCHP, o ang thermal power sa watts na hinati sa bigat ng aparato sa kg.

Ipinapakita ng umiiral na siyentipikong literatura ang malawak na hanay ng SPD, mula ∼1 hanggang 40 W/kg.

Kagiliw-liwan, dalawa sa mga disenyo na may pinakamataas na SPD ay may ganap na magkaibang pamamaraan: ang isa ay gumamit ng mataas na magnetic field sa mataas na frequency, at ang isa ay gumamit ng mababang field sa mababang frequency. Kaya marahil maraming pamamaraan na pare-pareho ang teknikal na pagiging viable.

Kumakalaban sa mga Compressor

Sinuri ng mga mananaliksik ang maraming paraan upang mapataas ang SPD, isang larangan ng pananaliksik na napabayaan hanggang ngayon, na may ganap na kahusayan at higit na pokus ng mga mananaliksik sa agham ng materyales.

Gayunpaman, ang SPD ang malamang na pinakamahalaga para sa malawakang pag-aampon ng mga ganitong heat pump, dahil walang end user, maging consumer man o tagapagtayo, na tatanggap ng mga heat pump na kasing laki ng isang buong silid o napakabigat upang madaling hawakan.

Gumamit sila ng iba’t ibang pamamaraan:

• Pagbabago sa magnetic alloy na ginamit:
  • Ang power per mass ay 374 W/kg para sa purong gadolinium.
  • Ito ay 854 W/kg para sa mga materyales na batay sa LaFeSi.
• Iba’t ibang disenyo ng magnetic material, mula sa mga plato hanggang sa mga beads.
• Iba’t ibang magnetic impulses, na nag-iiba sa frequency at intensity.

Sa pamamagitan ng sistematikong pagsubok na ito, natuklasan ng mga mananaliksik na mula sa teknikal na baseline na 5.9 W/kg, maaaring itaas ng mga MCHP system ang hanggang 81.3 W/kg, o halos 14 na beses na pagtaas sa system power density.

Mula sa mga natuklasan, lumalabas na ang mga MCHP ay halos matumbasan ang SPD ng ilang kasalukuyang ginagamit na compressors-based heat pump, lalo na para sa mababa o katamtamang cooling power (< 200 W).

Mga Kumpanya ng Magnetocaloric Heat Pump

Ang susunod na kumpanya ay hindi pa mukhang publicly-listed na kasalukuyang nagbebenta ng MCHP. Gayunpaman, ito ay isang napaka-aktibong larangan na may maraming startup, madalas spin-offs ng cutting‑edge na pananaliksik na isinagawa sa mga nangungunang unibersidad. Halimbawa:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, ay isang subsidiary ng German HYDAC Group (pribadong pagmamay‑ari din).
• Camfridge

Kaya, kahit hindi madaling ma-access, maaaring ito ay isang kawili‑wiling ideya para sa mga taong accredited investors at may access sa ganitong mga pamumuhunan.

Kumpanya ng Gadolinium

Ang gadolinium ay isang rare earth, at 97% ng pandaigdigang produksyon (gadolinium dioxide) ay ginagawa ng China.

Kagiliw‑liwan, ang metal ay kasalukuyang may kaunting aplikasyon maliban sa mga niche na paggamit tulad ng neutron absorption sa ilang nuclear reactor o magnetic contrast agents para sa MRI, kaya ito ay magiging perpektong mapagkukunan upang magamit sa halip na mapahamak na refrigerant na kasalukuyang ginagamit sa mga heat pump.

Habang patuloy na tumataas ang tensyon sa kalakalan sa pagitan ng USA at China mula pa noong unang administrasyon ni Trump, malamang na ang anumang Western investors na handang tumaya sa rare earth, kabilang ang gadolinium, ay mas pipili ng alternatibong mapagkukunan.

Isang potensyal na kumpanya ay ang Neo Materials.

Ang Neo Materials ay dalubhasa sa produksyon ng mga rare earth at kritikal na materyales. Kasama rito ang gadolinium, pati na rin ang kasalukuyang kritikal na iba pang rare earths at materyales, tulad ng hafnium, niobium, gallium, at mga rare earth magnet.

Pinagmulan: Neo Materials

Lahat ng mga produktong ito ay kritikal para sa paggawa ng semiconductors, mga magnet ng wind turbine, EVs, atbp. At sa karamihan ng mga kaso, 90‑99% ay galing sa China.

Kumikita ang kumpanya ng karamihan ng kita mula sa “Magnequench”: neodymium‑iron‑boron (NdFeB) magnetic powders at mga magnet na ginagamit sa electric motors (kasama ang mga EV).

Ang pangalawang pinakamalaking kita ay nagmumula sa Chemicals & Oxides na ginagamit sa petrolyo at chemical catalysts, hybrid at EVs, water purification, high‑efficiency displays, optical lenses, consumer electronics, atbp.

Pinagmulan: Neo Materials

Ang kita ng Neo ay napaka-diversified din sa heograpiya, na ginagawang mas ligtas mula sa mga geopolitikal na bagyo kaysa sa karamihan ng mga kumpanya sa sektor na ito. Gumagawa ito ng ilang produkto sa China at naging AsiaMag, isang acquisition noong 2019, isa sa top 5 pinakamalaking bonded magnet makers sa China sa pamamagitan ng pagtaas ng sales volume ng 5 beses.

Ngunit pinap diversipika rin nito ang panganib sa heograpiya. Halimbawa, magtatayo ang kumpanya sa EU (Estonia) ng kauna‑unang sintered magnet plant para sa EVs na wala sa China, na inaasahang magsisimula ng produksyon sa 2025.

Pinagmulan: Neo Materials

Sa pangkalahatan, ang Neo Materials ay may pinaka‑integrated na presensya sa permanent magnet at rare earth value chain mula sa China, na tanging pagmimina ng raw ore lamang ang hindi vertically integrated.

Ang kumpanya ay mayroon ding mas maraming advanced degree sa rare earth at mga teknikal na eksperto sa mga rare earth magnetic product kaysa sa anumang ibang kumpanya sa labas ng China o Japan. At kahit sa Japan, kaya nitong talunin ang mga lokal na kakumpitensya upang makakuha ng kontrata sa mga kumpanya tulad ng Honda o Daido Steel.

Pinagmulan: Neo Materials

Ang matatag na presensya sa mga materyales na kritikal para sa green transition, pati na rin sa maraming high‑tech na aplikasyon mula sa paggawa ng semiconductor hanggang sa special alloys at catalysts, ay ginagawa ang Neo bilang magandang stock pick para sa mga mamumuhunan na naghahanap ng exposure sa sektor, na may potensyal na pagtaas kung lalala pa ang mga digmaan sa kalakalan.

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Isang komprehensibong pagsusuri ng mga aplikasyon ng machine learning sa renewable energy systems. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}