Yeni Isı Pompası Tasarımları, Soğutucuların Yerine Mıknatısları Kullanıyor

Isı Üretiminin İyileştirilmesi

Tüm enerji talepleri arasında, ısı en yüksek son kullanım (örneğin, elektriğin ısıya dönüştürülmesi)dır. Bu nedenle, dekarbonizasyonun ancak ısı üretimi mümkün olan en yeşil ve çok verimli şekilde yapılması durumunda gerçekleşeceği mantıklıdır.

Bu henüz gerçekleşmiş değil; fosil yakıtlar, binalarla ilgili ısıtma için küresel enerji kullanımının %63’ünü oluşturuyor ve bu, 2010’dan bu yana sadece 4 puan azaldı.

Kaynak: IEA

Bu, net-sıfır senaryoları için büyük bir engel olup, bireysel ulaşım yöntemlerini elektrikli araçlara geçirme çabası kadar çaba gerektirir.

Şimdilik ana yöntem, ısı pompasına yönelmek oldu; bu cihazlar, yakıt yakarak ısı üretmek yerine, ısıyı bir noktadan diğerine taşır.

Daha verimli olsalar bile, ısı pompaları hâlâ geliştirilebilir. Ames Ulusal Laboratuvarı (ABD) ve Iowa State Üniversitesi’ndeki araştırmacıların üzerinde çalıştığı yeni ısı pompası türü “magnetokalorik ısı pompası”dır.

Araştırmacılar, en son sonuçlarını Applied Energy dergisinde, “Ölçeklenebilir ve kompakt magnetokalorik ısı pompası teknolojisi” başlığıyla yayımladılar.

Geleneksel Isı Pompaları Nasıl Çalışır?

Bir ısı pompasının temel kavramı, enerjiyi bir yerde “yakalamak” ve başka bir yere taşımaktır.

Genellikle, bir evin veya diğer binaların çevresindeki ortamdan ısı çeker ve bunu içeriye enjekte eder.

Çünkü ısı aslında üretilmez, sadece taşınır; bu nedenle tüketilen elektrik enerjisinin Watt-saat (Wh) cinsinden ölçüldüğünde %100’ün üzerinde verim oranları gösterebilir.

Bu sistem, geleneksel bir ısıtma sisteminden daha çok yönlüdür; ters yönde de çalışabilir. Bu yüzden çoğu durumda, yaz aylarında soğutma işlevi de görebilir.

Kaynak: The Heat Pump Warehouse

Tipik bir ısı pompası, ısıyı taşımak için gaz sıkıştırma sistemini kullanır; gazlar sıkıştırıldığında/serbest bırakıldığında ısı emer veya salar.

Gaz sıkıştırması en yaygın kullanılan yöntemdir, çünkü çok iyi bilinen bir teknolojidir; vanalar, borular ve kompresörler, onlarca yıl önce kullanılanlardan çok farklı değildir.

Bununla birlikte, manyetizma güçlü bir rakip olarak ortaya çıktığından, bu en iyi ısı pompası tasarımı olmayabilir.

Isı Pompası Türleri

Farklı ısı pompası tasarımları, enerjiyi nereden çektikleri, nereye gönderdikleri ve soğuk iklimlere uyarlanıp uyarlanmadıkları gibi çeşitli yönlerden farklılık gösterir.

Enerji Kaynakları

• Yer Kaynağı: Jeotermal ısı pompaları olarak da bilinen bu sistemler, yer altından ısı elde eder ve yüksek verimlilikleriyle tanınır.
• Hava Kaynağı: En yaygın tip, havadan ısı çeker ve yer kaynaklı pompalarına göre kurulumu daha kolaydır.
• Su Kaynağı: Göller veya kuyular gibi yakın su kaynaklarını ısı değişimi için kullanırlar.

Kurulum

• Kanallı: Bir evin kanal sistemine entegre edilen bu tip, merkezi ısıtma ve soğutma sağlar.
• Mini-Bölmeli: Kanalı olmayan evler için ideal olan bu tip, odaların sıcaklıklarını bireysel olarak kontrol etmeye olanak tanır.

İklim

• Soğuk İklim: Sert kışları olan bölgeler için özel olarak tasarlanmış bu ısı pompaları, değişken hızlı kompresörler gibi gelişmiş özellikler sayesinde aşırı soğuk sıcaklıklarda bile verimliliğini korur.
• Normal İklim: Ilıman iklimler için ideal olan bu tip, tipik ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarına uygun standart ısı pompalarıdır.

Isı Transfer Yöntemi

• Gaz sıkıştırması: Basit ve bilinen bir teknoloji ile makul derecede iyi çalışır.
• Mıknatıslar: Ayrı bir “katı hal” kalorik ısı pompasının alt kümesi olup, soğutucu gerektirmez.

Magnetokalorik Isı Pompası (MCHP) Teknolojisi

MCHP, dışarıdan uygulanan manyetik alanın değişimiyle manyetik malzemelerin soğuması veya ısınması anlamına gelen magnetokalorik etkilerin prensiplerini kullanır.

Kaynak: DST

Teoride, bu sistem çok daha iyi olabilir; çünkü genellikle toksik ve/veya çevreye zararlı olan, özellikle ekipman eskiyince geleneksel ısı pompalarından sıkça sızan soğutucu maddelere ihtiyaç duymaz.

Yıllar içinde, farklı düzenlemeler kullanılarak birçok farklı magnetokalorik ısı pompası tasarımı önerildi:

• Farklı manyetik alan güçleri.
• Saf gadolinyum, gadolinyum alaşımları ve LaFeSi alaşımları (lantanit-demir-silikon) gibi farklı magnetokalorik malzemeler.
• Magnetokalorik malzemenin farklı şekilleri.

Bu sistemler, en iyi buhar sıkıştırmalı sistemlerden daha yüksek verim gösterdi. Sıcaklık aralığı ve termal güçleri de iyi bir uyum sağladı.

Bununla birlikte, bu sistemlerin maliyet, kütle ve boyut açısından geleneksel ısı pompalarıyla eşleşebileceği henüz kanıtlanmamıştı; bu faktörler potansiyel ticari başarı için önemlidir.

Değişken Performans

Araştırmacılar, önerilen farklı MCHP tasarımlarının Sistem Güç Yoğunluğunu (SPD) ölçtüler; bu, watt cinsinden termal gücün cihaz kütlesine kilogram cinsinden bölünmesiyle elde edilir.

Mevcut bilimsel literatür, ∼1 ile 40 W/kg arasında değişen geniş bir SPD yelpazesi gösteriyor.

İlginç bir şekilde, en yüksek SPD’ye sahip iki tasarım tamamen farklı yaklaşımlara sahipti: biri yüksek frekansta yüksek manyetik alanlar, diğeri düşük frekansta düşük alanlar kullandı. Bu nedenle, muhtemelen her biri teknik olarak uygulanabilir birden fazla yaklaşım vardır.

Kompresörlerle Rekabet

Araştırmacılar, şimdiye kadar ihmal edilen bir alan olan SPD’yi artırmanın çeşitli yollarını incelediler; mutlak verimlilik ve malzeme bilimcilerinin odak noktası.

Bununla birlikte, bu tür ısı pompalarının yaygın benimsenmesi için muhtemelen en önemli faktör SPD olacaktır; çünkü tüketiciler ve inşaatçılar, bir odanın büyüklüğünde ya da kolay taşınamayacak kadar ağır ısı pompalarını kabul etmeyeceklerdir.

• Manyetik alaşımda yapılan varyasyon:
  • Gadolinyum tek başına 374 W/kg güç/kütle oranına sahiptir.
  • LaFeSi tabanlı malzemeler tek başına 854 W/kg güç/kütle oranına sahiptir.
• Manyetik malzemenin plakadan boncuklara kadar farklı tasarımları.
• Frekans ve şiddette değişen farklı manyetik darbeler.

Bu sistematik testler sonucunda, araştırmacılar teknik bir temel değer olan 5.9 W/kg’den MCHP sistemlerinin 81.3 W/kg’ye kadar artırılabileceğini, yani sistem güç yoğunluğunda neredeyse 14 kat artış olduğunu buldular.

Bu bulgular, MCHP’lerin mevcut kullanılan kompresör tabanlı ısı pompalarının SPD’sine, özellikle düşük veya orta soğutma güçleri (< 200 W) için, neredeyse eşdeğer olabileceğini göstermektedir.

Magnetokalorik Isı Pompası Şirketleri

Şu anda MCHP satan halka açık bir şirket görünmese de, bu alan birçok girişimle oldukça aktiftir ve genellikle önde gelen üniversitelerde yapılan ileri araştırmaların yan kuruluşlarıdır. Örneğin:

• Magneto
• Magnotherm
• CoolTech, Almanya HYDAC Group şirketinin bir yan kuruluşudur (aynı zamanda özel bir şirket).
• Camfridge

Dolayısıyla, erişimi çok kolay olmasa da, akredite yatırımcılar ve bu tür yatırımlara erişimi olan kişiler için ilginç bir fikir olabilir.

Gadolinyum Şirketi

Gadolinyum nadir bir elementtir ve küresel üretimin %97’si (gadolinyum dioksit) Çin tarafından yapılmaktadır.

İlginç bir şekilde, bu metal şu anda nükleer reaktörlerde nötron absorpsiyonu veya MRI için manyetik kontrast ajanları gibi niş uygulamaların dışında çok az kullanılmaktadır; bu nedenle, ısı pompalarında kullanılan kirletici soğutucular yerine kullanılabilecek mükemmel bir kaynak olur.

ABD ve Çin arasındaki ticaret gerilimleri, Trump’ın ilk başkanlığı döneminden bu yana sürekli artarken, gadolinyum da dahil nadir elementlere yatırım yapmaya istekli Batılı yatırımcıların alternatif kaynakları tercih etmesi muhtemeldir.

Böyle bir potansiyel şirket Neo Materials’tir.

Neo Materials, nadir elementler ve kritik malzeme üretiminde uzmanlaşmıştır. Bu, gadolinyumu içerir, ancak aynı zamanda hafniyum, niyobyum, galyum ve nadir toprak manyetikleri gibi kritik diğer nadir elementleri ve malzemeleri de kapsar.

Kaynak: Neo Materials

Bu ürünlerin tümü, yarı iletkenler, rüzgar türbini manyetikleri, elektrikli araçlar vb. üretimi için kritiktir. Ve çoğu durumda, %90-99’u Çin tarafından temin edilmektedir.

Şirketin gelirlerinin çoğu “Magnequench” adlı ürününden elde edilmektedir: Elektrikli motorlarda (EV’ler dahil) kullanılan neodimyum-demir-boron (NdFeB) manyetik tozlar ve manyetikler.

İkinci en büyük gelir, petrol ve kimyasal katalizörlerde, hibrit ve EV’lerde, su arıtımında, yüksek verimli ekranlarda, optik lenslerde, tüketici elektroniğinde vb. kullanılan Kimyasallar ve Oksitlerden gelmektedir.

Kaynak: Neo Materials

Neo’nun gelirleri coğrafi olarak da çok çeşitlendirilmiştir; bu da sektördeki çoğu şirketten daha az jeopolitik riskle karşı karşıya kalmasını sağlar. Bazı ürünleri Çin’de üretmekte ve 2019’da satın aldığı AsiaMag’ı satış hacmini beş kat artırarak Çin’deki en büyük beş bağlanmış manyetik üreticisinden biri haline getirmiştir.

Ayrıca coğrafi risklerini çeşitlendirmektedir. Örneğin, şirket AB (Estonya) içinde, Çin dışındaki ilk sinterlenmiş manyetik fabrikasını EV’ler için inşa edecek ve üretimin 2025’te başlaması beklenmektedir.

Kaynak: Neo Materials

Genel olarak, Neo Materials, ham cevheri madencilik dışındaki tüm aşamalarda dikey entegrasyona sahip olup, Çin’deki kalıcı manyetik ve nadir toprak değer zincirinde en bütünleşik varlığa sahiptir.

Şirket, Çin ve Japonya dışındaki hiçbir şirketten daha fazla nadir toprak yüksek lisans ve teknik uzmana ve nadir toprak manyetik ürünlerinde uzmanlığa sahiptir. Hatta Japonya’da bile Honda veya Daido Steel gibi şirketlerle sözleşme imzalamada yerel rakiplerini geride bırakabilmektedir.

Kaynak: Neo Materials

Yeşil geçiş için kritik malzemelerde ve yarı iletken üretiminden özel alaşımlara ve katalizörlere kadar birçok yüksek teknoloji uygulamasında bu güçlü varlık, Neo’yu sektöre maruz kalmak isteyen yatırımcılar için potansiyel bir yükseliş fırsatı sunan iyi bir hisse seçeneği yapmaktadır; özellikle ticaret savaşları kötüleşirse.

Çalışma Referansı:

^{1. Zhang, Y., Li, X., Wang, Z., & Chen, H. (2024). Yenilenebilir enerji sistemlerinde makine öğrenimi uygulamalarının kapsamlı bir incelemesi. Applied Energy, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798} (ATLO )