Elektrokalorik Malzemelerle HVAC Çözümlerini İleriye Taşımak

HVAC’tan Gelen Devasa Enerji Talebi

Modern sanayi toplumu çok fazla enerji kullanıyor. Enerji tüketiminde genellikle küçümsediğimiz bir uygulama soğutma ve ısıtmadır. Dünya toplam enerji tüketiminin yarıdan fazlasını, elektriğin (%20) ve ulaşımın (%30) önünde temsil eder.

Bu yüzden, belki de EV’lerden bile daha fazla, HVAC (Isıtma, Havalandırma ve Klima) sistemlerini elektrifikasyon ve daha verimli hâle getirmek, enerji tüketimini ve karbon emisyonlarını azaltmada kritik öneme sahiptir. Özellikle sadece soğutma talebinin 2050 yılına kadar ekonomik gelişme yaşayan sıcak iklimli, büyük nüfuslu ülkelerde (örneğin Hindistan ve Endonezya) üç katına çıkması bekleniyor.

Kaynak: Daikin

Şimdiye kadar, yüksek verimli HVAC elde etmek için tercih edilen teknoloji, sıkıştırmalı soğutma kullanan ısı pompaları olmuştur.

Yeni bir teknoloji şimdi durumu değiştirecek bir şekilde ortaya çıkıyor; bu teknoloji “elektrokalorik soğutma” adlı fiziksel bir prensibe dayanıyor.

Isı Pompaları Nasıl Çalışır

Tüm ısı pompaları, sıkıştırmalı ısı pompalarından geleceğin elektrokalorik ısı pompalarına kadar temel bir prensip üzerine çalışır: ısı üretmek yerine taşımak.

Bu, fosil yakıtlara dayalı ve diğer elektrikli ısıtma sistemlerinden çok farklı bir prensiptir; bu sistemlerde ya elektrik ya da gaz/karbon/yağ tüketilerek ısı üretilir.

Bir ısı pompası ise, bir duvarın bir tarafından ısı alıp diğer tarafa aktarır. Kışın dışarıdan ısı çeker ve binaya gönderir. Yazın ise bu süreci tersine çevirerek binayı soğutur ve bir klima gibi çalışır.

Isıyı taşımak, üretmekten çok daha verimlidir. Bu sayede sıkıştırmalı bir ısı pompası, tüketilen her watt enerji için 2-4W ısı/soğuk üretebilir.

Kaynak: RMI

Isı, ortam içinde dışarıya ve içeriye hareket eder; iki ana seçenek dış havayı kullanmak ya da yer altı boruları aracılığıyla çevredeki toprağı kullanmaktır.

Isı pompaları genellikle ofisler, ticari alanlar ve evler gibi binaları ısıtmak ve soğutmak için kullanılır. Ancak, bir endüstriyel ortamda da kullanılabilir; bir endüstriyel süreçten gelen enerji kaynaklarını başka bir sürece yönlendirerek burada da büyük enerji tasarrufu sağlar.

Kaynak: Sintef

Sıkıştırmanın Ötesine Geçmek İçin Elektrokalorik Isı Pompaları

Elektrokalorik Teknolojide İlerleme

Geleneksel ısı pompaları, sıkıştırma ve dekompresyonun termal etkisini kullanarak ısıyı bir noktadan diğerine taşır. Bu, hidroflorokarbonlar veya amonyak gibi soğutucu maddeler gerektirir; bu maddeler iklim üzerinde doğrudan ya da dolaylı sera etkisine sahiptir.

Elektrokalorik prensip farklıdır. Bir elektrokalorik sistem, elektrik alanına maruz kaldığında ısı üretir; çünkü atomlar tek bir yönde hizalanır ve entropi azalır. Elektrik alanı ortadan kalktığında ise soğuma gerçekleşir.

Kaynak: Fraunhofer IPM

Elektrokalorik etkiler 1960’lardan beri bilinmektedir, ancak o zaman elde edilebilen en yüksek sıcaklık farkı sadece 2,5°C idi.

2006 yılında, kurşun-titanyum-oksijen-çirkonyum ince filminin 12°C soğutma kapasitesine ulaşmasıyla bazı ilerlemeler kaydedildi.

Ancak, Lüksemburg Bilim ve Teknoloji Enstitüsü araştırmacılarının Belvaux’da elde ettiği neredeyse 21°C’lik sıcaklık değişimi, teknolojinin ticari uygulamalara yeterince güçlü hale geldiğini göstermektedir.

Elektrokalorik Prototip

Ekip, polimer ve kurşun-skandiyum-tantal-oksijen (PST) çok katmanlı kondansatörler (MLC) kullandı.

Kaynak: UPCommons

Lüksemburg araştırmacıları, güç başına mikrometre başına 10V altında maksimum soğutma sağlayan ve 4,2W maksimum soğutma üreten bir prototip geliştirdi.

Kaynak: Techspot

Bu, daha önce geliştirilen tüm yöntemlere göre radikal bir iyileşmedir; sıcaklık aralığı ve soğutma gücü sırasıyla %50 ve 15 kat daha büyük olup, önceki en iyi elektrokalorik cihazların çok üzerindedir.

Bu, prototipi daha önce test edilen tüm elektrokalorik kavramların çok önüne geçirir.

Kaynak: UPCommons

Kaynak: UPCommons

Malzeme, tekrarlanan ısıtma ve soğutma döngüleri için de test edildi ve herhangi bir bozulma belirtisi göstermedi.

Elektrokalorik sistemlerin birçok avantajından biri, elektriğin doğrudan kullanılması sayesinde EC soğutucularının hacim olarak kompakt olması ve miniaturizasyona uygun olmasıdır. Bu nedenle, gelecekteki ısı pompalarının yanı sıra, küçük elektronik cihazlarda ve pillerde de kullanılabilir.

Ayrıca çok yüksek verimliliğe sahiptir; potansiyel olarak sıkıştırmalı ısı pompası sisteminin ulaşabileceğinden çok daha yüksek.

Daha Fazla İyileştirme

Science dergisinde yayınlanan araştırma bir prototipi tanımlamaktadır. Bazı ek iyileştirmeler de tartışılmıştır.

Örneğin, mevcut prototip kısa devreleri önlemek için su yerine dielektrik sıvı kullanıyor. Ancak bu dielektrik sıvının suya kıyasla düşük termal özellikleri var.

Bu nedenle, su geçirmez çok katmanlı kondansatörlerin (MLC) geliştirilmesi, sistemin hızını ve soğutma kapasitesini önemli ölçüde artırabilir.

MLC sayısının ve yoğunluğunun artırılması da daha fazla soğutma potansiyeli sağlayabilir.

Son olarak, daha ince ve düz elektrokalorik modüller yardımcı olur; daha yüksek elektrik alanlarının uygulanmasının mümkün ve güvenli olup olmadığı belirsizdir.

İleri Düzey Isı Pompası Şirketleri

Şu anda elektrokalorik ısı pompaları veya soğutma sistemlerini ticarileştiren bir şirket yoktur. Bu hâlâ büyük ölçüde akademik ve uygulamalı fizik alanıdır.

Bununla birlikte, teknoloji verimlilik seviyesinde geliştiği ve ticarileştirmenin mümkün olduğu bir noktaya geldiği için, bu araştırma enstitülerinin patentlerinden gelir elde etmeye çalışması muhtemeldir.

Bu nedenle, elektrokalorik cihazların fikri mülkiyet haklarını lisanslayarak fayda sağlayabilecek ısı pompası endüstrisinin liderlerine bakmak ilginç olabilir.

Ayrıca, ticari sınıf elektrokalorik sistemlerin oluşturulması ve son kullanıcılara dağıtılması çok sermaye yoğun bir süreç olacağı için, sektördeki en büyük oyuncular lehine olacaktır.

1. Carrier Global

Carrier, 58.000+ çalışanı ile HVAC (ticari ve konut), soğuk zincir ve yangın & güvenlik alanlarında liderdir. Sadece ısı pompaları satmasa da, şirketin odaklandığı ve endüstrinin geleceği olarak gördüğü bir ürün kategorisidir.

Şirket ağırlıklı olarak Amerika’ya odaklanmakta ve HVAC satışlarının yarıdan fazlasını oluşturmaktadır.

Kaynak: Carrier Global [securities_stock_price_tag symbol="CARR" exchange="NYSE"]

Kurulu tabanı 330.000+ ticari HVAC, 33 milyon konut HVAC, 1,8 milyon soğutma ekipmanı ve 90+ milyon yangın ve güvenlik sistemidir.

Şirket, 2030 yılına kadar sera gazı (GHG) emisyonlarını büyük ölçüde azaltmayı kararlılıkla hedeflemektedir.

Bu emisyonların büyük bir kısmının amonyak soğutuculardan kaynaklandığını göz önünde bulundurarak, gelecekte elektrokalorik bir sisteme geçiş olasılığı, endüstriye yalnızca enerji tüketimi ve metal madenciliğiyle ilgili emisyonların kalacağı, yenilenebilir enerjiyle desteklenecek bir yol sunmaktadır.

Kaynak: Carrier Global

2. Daikin Industry

Japon şirketi, 1924’te kurulan, dünyanın bir numaralı klima şirketi olduğunu iddia edebilir.

Şirket, 2006’dan beri ısı pompası alanında aktif olup, 2008’de Çin’in en büyük klima üreticisi Gree Electric Appliance ile bir iş ortaklığı kurmuştur.

Şirket ağırlıklı olarak Amerika, Avrupa ve Doğu Asya’da satıyor, ancak Hindistan gibi pazarlarda da patlayıcı bir büyüme yaşadı; 2009 ile 2022 arasında satışları 23 kat artış gösterdi.

Kaynak: Daikin

Daikin’in rekabet avantajlarından biri, rakiplerine göre çok daha düşük küresel ısınma etkisine sahip R32 soğutucusudur.

Bu, elektrokalorik sistemlerin ortaya çıkmasının kısa vadede şirketin rekabet konumuna bir tehdit olabileceği anlamına gelir.

Kaynak: Daikin

Ama aynı zamanda, şirketin soğutma sistemlerinin çevresel etkisine ve yenilik kapasitesine (2015’te yeni bir Ar-Ge merkezine 300 milyon dolar yatırım yaptı) önceden odaklandığını gösterir ve bu da onu bu sistemleri ticari ölçekte geliştirmek için iyi bir aday yapar.

Daikin’in çevre dostu yenilik konusundaki kararlılığının güçlü bir göstergesi, 2015’ten beri R32 için temel patentlere dünya çapında ücretsiz erişim ve 2019’da grup patentlerinin 2011’den beri ücretsiz erişim sağlanmasıdır.

3. NIBE Group

Isı pompaları ve elektrokalorik sistemlerin geleceğiyle ilgilenen yatırımcılar, diğer teknolojilerle ilgili dikkat dağıtıcı unsurlar ve riskler olmadan sektöre tamamen odaklanmış bir şirket arayabilirler.

Bu durumda, Nibe adlı Avrupa menşeli ısı pompası ve odun sobası (başka bir karbon nötr ısı kaynağı) üreticisine ilgi duyabilirler.

Şirket, kökeni İsveç olan ve hâlâ satışlarının büyük bir kısmını Nordik ülkelerde ve Avrupa’da gerçekleştiren bir firmadır. 2022 yılında 21.333 çalışanı vardı.

Kaynak: Nibe

Şirketin ısı pompaları, sadece bir yılda 360.000 ton CO2 emisyonunu önlemiştir.

Daha odaklı bir şirket olarak, Nibe yalnızca ısı pompaları konusunda Daikin veya Carrier kadar büyüktür.

Lüksemburg ve Almanya gibi ülkelerde elektrokalorik malzemeler üzerine araştırmaların öncü olması, Nibe gibi Avrupa şirketlerinin araştırmacılarla ayrıcalıklı ilişkiler kurmasını ve sıkıştırma temelli ısı pompalarının ötesine geçecek tekliflerini genişleten ilk şirketler arasında yer almasını sağlayabilir.