Нові конструкції теплових насосів позбавляються магнітів замість холодоагентів

Поліпшення теплогенерації

Серед усіх можливих попитів на енергію тепло є найбільшим кінцевим споживанням (включаючи, наприклад, електроенергію, перетворену на тепло). Тож має сенс, що декарбонізація відбудеться лише в тому випадку, якщо виробництво тепла здійснюється максимально екологічним способом і дуже ефективно.

Це ще далеко не зроблено, оскільки на викопне паливо припадає 63% світового споживання енергії для опалення будівель, зменшення лише на 4 відсоткові пункти з 2010 року.

джерело: МЕА

Це є основною перешкодою для будь-якого сценарію нульового чистого споживання, що вимагає принаймні стільки ж зусиль, скільки й перехід від індивідуальних способів транспортування до електромобілів.

Наразі основним методом є звернення до теплових насосів, які замість того, щоб спалювати речі для виробництва тепла, переміщують його з однієї точки в іншу.

Навіть якщо вони ефективніші, теплові насоси все одно можна покращити. Саме над цим працюють дослідники з Національної лабораторії Еймса (США) та Університету штату Айова, розробляючи новий тип теплового насоса під назвою «магнітокалорійний тепловий насос».

Вони нещодавно опублікували свої останні результати в журналі Applied Energy під назвою «Масштабована та компактна технологія магнітокалорійного теплового насоса¹".

Як працюють традиційні купові насоси?

Ключова концепція теплового насоса полягає в тому, щоб «захопити» енергію в одному місці та перенести її в інше.

Як правило, він забирає тепло з навколишнього середовища навколо будинку чи інших будівель і повертає його всередину.

Оскільки тепло фактично не виробляється, а просто переміщується, він може відображати показники ефективності вище 100%, якщо виміряти спожиту електроенергію у ват-годинах (Вт·год).

Ця система також більш полівалентна, ніж традиційна система опалення, оскільки вона також може працювати у зворотному напрямку. Тому в більшості випадків це може подвоюватись як охолодження протягом літніх місяців.

джерело: Склад теплових насосів

Типовий тепловий насос використовує систему стиснення газу для переміщення тепла, оскільки гази поглинають або виділяють тепло під час їх стиснення/декомпресії.

Стиснення газу є найбільш часто використовуваним методом, тому що це дуже відома технологія, яка спирається на клапани, труби та компресори, які не дуже відрізняються від тих, що використовувалися десятиліття тому.

Однак це може бути не найкраща конструкція теплового насоса, оскільки магніт стає сильним суперником.

Види теплових насосів

Різні конструкції теплових насосів відрізняються кількома ознаками, в тому числі звідки вони видобувають енергію, куди її направляють і чи пристосовані вони до холодного клімату чи ні.

Eджерела енергії

• Джерело землі: Також відомі як геотермальні теплові насоси, вони використовують тепло від землі та відомі своєю високою ефективністю.
• Джерело повітря: Найпоширеніший тип, вони відбирають тепло з повітря та їх легше встановити, ніж наземні насоси.
• Джерело води: Для теплообміну вони використовують джерела води поблизу, такі як озера чи колодязі.

Установка

• Канальний: Інтегровані в каналізацію будинку, вони забезпечують централізоване опалення та охолодження.
• Міні-спліт: Ідеально підходить для будинків без каналів, вони дозволяють індивідуально контролювати кімнатну температуру.

клімат

• Холодний клімат: Спеціально розроблені для регіонів із суворими зимами, ці теплові насоси зберігають ефективність навіть за дуже низьких температур завдяки розширеним функціям, таким як компресори зі змінною швидкістю.
• Нормальний клімат: Ідеально підходить для помірного клімату, це стандартні теплові насоси, які підходять для типових потреб опалення та охолодження.

Спосіб теплопередачі

• Стиснення газу: працює досить добре, з простою, відомою технологією.
• магніти: Підгрупа більшого «твердотільного» калорійного теплового насоса, який не потребує теплоносія.

Технологія магнітокалоричного теплового насоса (MCHP).

MCHP використовує принципи магнітокалоричних ефектів, або охолодження або нагрівання магнітних матеріалів зі зміною зовнішнього прикладеного магнітного поля.

джерело: STD

Теоретично це може бути набагато кращою системою, оскільки вона усуває потребу в холодоагентах, які, як правило, є токсичними та/або шкідливими для навколишнього середовища, дуже часто витікають із традиційних теплових насосів, особливо коли обладнання старіє.

Протягом багатьох років було запропоновано багато різних конструкцій магнітокалорійних теплових насосів із використанням різних установок:

• Сила різних магнітних полів.
• Різні магнітокалорійні матеріали, такі як чистий гадоліній, сплави гадолінію та сплави LaFeSi (лантан-залізо-кремній).
• Різні форми для магнітокалоричного матеріалу.

Ці системи продемонстрували ефективність, вищу, ніж найкращі парокомпресійні системи. Їх температурний діапазон і теплова потужність також добре збігалися.

Однак ще потрібно було продемонструвати, що ці системи можуть відповідати традиційним тепловим насосам щодо вартості, маси та розміру, що є важливими факторами для потенційного комерційного успіху.

Змінна продуктивність

Дослідники виміряли щільність потужності системи (SPD) різних запропонованих конструкцій MCHP або теплову потужність у ватах, поділену на масу пристрою в кг.

Існуюча наукова література демонструє широкий діапазон SPD, коливається від ~1 до 40 Вт/кг.

Цікаво, що дві конструкції з найвищим SPD мали абсолютно різні підходи: одна використовувала високі магнітні поля на високих частотах, а інша використовувала низькі поля на низьких частотах. Отже, ймовірно, існує кілька підходів, кожен з яких є технічно життєздатним.

Конкуруючи з компресорами

Дослідники досліджували кілька способів підвищити SPD, місце дослідження, яким досі нехтували, з абсолютною ефективністю та більше в центрі уваги дослідників матеріалознавства.

Однак саме SPD, ймовірно, матиме найбільше значення для масового впровадження таких теплових насосів, оскільки жоден кінцевий користувач, як споживач, так і будівельник, не погодиться на теплові насоси розміром із повну кімнату або занадто важкі, щоб ними легко керувати.

Вони використовували різні методи:

• Варіації магнітного сплаву, що використовується:
  • Потужність на масу становила 374 Вт/кг лише для гадолінію.
  • Це становило 854 Вт/кг тільки для матеріалів на основі LaFeSi.
• Різні дизайни магнітного матеріалу, від пластин до намистин.
• Різні магнітні імпульси, різні за частотою та інтенсивністю.

За допомогою цього систематичного тестування дослідники виявили, що з технічної базової лінії 5.9 Вт/кг системи MCHP можна підвищити до 81.3 Вт/кг, тобто майже в 14 разів збільшити щільність потужності системи.

З цих висновків випливає, що MCHP може майже відповідати SPD деяких теплових насосів на основі компресорів, які зараз використовуються, особливо для низьких або помірних потужностей охолодження (< 200 Вт).

Компанії з виробництва магнітокалорійних теплових насосів

Наступна компанія, здається, не є публічною компанією, але наразі продає MCHP. Однак це дуже активна сфера з багатьма стартапами, часто поділами передових досліджень, які проводяться в провідних університетах. Наприклад:

• Магніто
• Магнотерм
• CoolTech, є дочірньою компанією нім Група HYDAC(також приватна).
• Camfridge

Отже, хоча це не дуже легко отримати доступ, це може бути цікавою ідеєю для людей, які є акредитованими інвесторами та мають доступ до таких інвестицій.

Гадолінієва компанія

Гадоліній є рідкісною землею, і 97% світового виробництва (діоксид гадолінію) виробляється Китаєм.

Цікаво, що наразі метал має мало застосування, окрім спеціального використання, як-от поглинання нейтронів у деяких ядерних реакторах або магнітні контрастні речовини для МРТ, і тому він буде ідеальним ресурсом для використання замість забруднюючого холодоагенту, який зараз використовується в теплових насосах.

Оскільки торговельна напруженість між США та Китаєм постійно зростала після першого президентства Трампа, цілком імовірно, що будь-які західні інвестори, які бажають робити ставку на рідкоземельні метали, зокрема гадоліній, віддадуть перевагу альтернативним джерелам.

Такою потенційною компанією є Neo Materials.

Neo Materials спеціалізується на виробництві рідкісноземельних елементів і критичних матеріалів. Це включає в себе гадоліній, але також наразі важливі інші рідкоземельні елементи та матеріали, такі як гафній, ніобій, галій і рідкоземельні магніти.

джерело: Нео матеріали

Усі ці продукти є критично важливими для виробництва напівпровідників, магнітів для вітрових турбін, електромобілів тощо. У більшості випадків 90-99% постачається Китаєм.

Компанія отримує більшу частину своїх доходів від «Magnequench”: неодим-залізо-бор (NdFeB) магнітні порошки та магніти, що використовуються в електродвигунах (включаючи електромобілі).

Друге місце займають хімічні речовини та оксиди, які використовуються в нафтових і хімічних каталізаторах, гібридах і електромобілях, очищенні води, високоефективних дисплеях, оптичних лінзах, побутовій електроніці тощо.

джерело: Нео матеріали

Доходи Neo також дуже диверсифіковані географічно, що робить її безпечнішою від геополітичних штормів, ніж більшість компаній у цьому секторі. Вона виробляє деякі продукти в Китаї і навіть перетворила AsiaMag, придбану в 2019 році, у п’ятірку найбільших виробників магнітів у Китаї, збільшивши обсяг продажів у 5 разів.

Але це також диверсифікує свій географічний ризик. Наприклад, компанія, зокрема, побудує в ЄС (Естонія) перший за межами Китаю завод зі спечених магнітів для електромобілів, перше виробництво якого очікується в 2025 році.

джерело: Нео матеріали

Загалом Neo Materials має найбільш інтегровану присутність у ланцюжку створення вартості постійних магнітів і рідкісноземельних елементів з Китаю, лише видобуток сирої руди не інтегрований вертикально.

Компанія також має більше наукових ступенів і технічних експертів із рідкоземельних магнітних продуктів, ніж будь-яка інша компанія за межами Китаю чи Японії. І навіть в Японії він може обіграти місцевих конкурентів, щоб підписати контракти з такими компаніями, як Honda або Daido Steel.

джерело: Нео матеріали

Ця сильна присутність у матеріалах, які мають важливе значення для переходу до екологічно чистих, а також багато високотехнологічних застосувань від виробництва напівпровідників до спеціальних сплавів і каталізаторів, робить Neo хорошим вибором акцій для інвесторів, які шукають доступ до сектора, з потенційним потенціалом зростання у випадку загострення торгових війн.

Посилання на дослідження:

^{1. Чжан, Ю., Лі, X., Ван, З., і Чен, Х. (2024). Комплексний огляд програм машинного навчання в системах відновлюваної енергетики. Прикладної енергетики, 350, 120798. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.120798}