Năng lượng
Nâng cao các giải pháp HVAC bằng vật liệu điện nhiệt
Securities.io duy trì các tiêu chuẩn biên tập nghiêm ngặt và có thể nhận được khoản bồi thường từ các liên kết được đánh giá. Chúng tôi không phải là cố vấn đầu tư đã đăng ký và đây không phải là lời khuyên đầu tư. Vui lòng xem công bố liên kết.
Nhu cầu năng lượng lớn từ HVAC
Xã hội công nghiệp hiện đại sử dụng rất nhiều năng lượng. Một ứng dụng mà chúng ta có xu hướng đánh giá thấp khi nói đến việc sử dụng năng lượng là làm mát và sưởi ấm. Nó chiếm hơn một nửa tổng mức tiêu thụ năng lượng của thế giới, trước điện (20%) và giao thông (30%).
Vì vậy, thậm chí có thể còn hơn cả xe điện, điện khí hóa HVAC (Hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí) và làm cho nó hiệu quả hơn là điều quan trọng trong việc giảm mức tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon. Đặc biệt là khi nhu cầu làm mát dự kiến sẽ tăng gấp ba lần vào năm 2050 do sự phát triển kinh tế ở các quốc gia có thời tiết ấm áp với dân số đông như Ấn Độ và Indonesia.
Nguồn: Daikin
Cho đến nay, công nghệ được ưa chuộng để đạt được HVAC hiệu suất cao là bơm nhiệt sử dụng làm mát bằng nén.
Một công nghệ mới hiện đang thách thức hiện trạng, dựa trên nguyên lý vật lý được gọi là “làm mát bằng điện”.
Máy bơm nhiệt hoạt động như thế nào
Tất cả bơm nhiệt, từ máy bơm nhiệt nén đến máy bơm nhiệt điện trong tương lai, hoạt động theo nguyên tắc cơ bản: di chuyển nhiệt thay vì tạo ra nó.
Đây là một nguyên tắc rất khác so với các hệ thống sưởi ấm bằng nhiên liệu hóa thạch và các hệ thống sưởi điện khác, trong đó điện hoặc khí/than/dầu được tiêu thụ để tạo ra nhiệt.
Thay vào đó, một máy bơm nhiệt sẽ lấy nhiệt từ một bên của bức tường và truyền nó sang phía bên kia. Vào mùa đông, nó hấp thụ nhiệt từ bên ngoài và truyền vào tòa nhà. Vào mùa hè, nó đảo ngược quá trình này để làm mát tòa nhà và hoạt động giống như điều hòa không khí.
Nhiệt di chuyển hiệu quả hơn nhiều so với việc tạo ra nó. Điều này cho phép bơm nhiệt dựa trên nén tạo ra 2-4W nhiệt/lạnh cho mỗi W điện năng tiêu thụ.
Nguồn: RMI
Nhiệt được truyền vào và ra khỏi môi trường, với 2 phương án chính là sử dụng không khí bên ngoài hoặc đất xung quanh thông qua đường ống ngầm.
Máy bơm nhiệt thường được sử dụng để sưởi ấm và làm mát các tòa nhà như văn phòng, không gian thương mại và nhà ở. Tuy nhiên, nó cũng có thể được sử dụng trong môi trường công nghiệp, tái sử dụng các nguồn năng lượng từ quy trình công nghiệp này sang quy trình công nghiệp khác, dẫn đến tiết kiệm năng lượng lớn ở đây.
Nguồn: Sintef
Máy bơm nhiệt điện để vượt ra ngoài khả năng nén
Tiến bộ trong công nghệ điện nhiệt
Bơm nhiệt truyền thống sử dụng hiệu ứng nhiệt nén và giải nén để di chuyển nhiệt từ điểm này sang điểm khác. Điều này đòi hỏi các chất làm lạnh như hydrofluorocarbons hoặc amoniac có tác động nhà kính trực tiếp hoặc gián tiếp đến khí hậu.
Nguyên lý điện nhiệt là khác nhau. Một hệ thống điện nhiệt nóng lên khi tiếp xúc với điện trường, vì nó làm cho các nguyên tử sắp xếp theo một hướng, làm giảm entropy. Điều ngược lại xảy ra, gây ra hiện tượng làm mát khi điện trường dừng lại.
Nguồn: IPM Fraunhofer
Hiệu ứng điện nhiệt đã được biết đến từ những năm 1960, nhưng vào thời điểm đó, chênh lệch nhiệt độ mạnh nhất có thể đạt được chỉ là 2.5°C.
Một số tiến bộ đã được thực hiện vào năm 2006 khi một màng mỏng chì-titan-oxy-zirconium đạt được khả năng làm mát 12°C.
Tuy nhiên, bước đột phá gần đây về sự thay đổi nhiệt độ gần 21°C đã đạt được bởi các nhà nghiên cứu của Viện Khoa học và Công nghệ Luxembourg ở Belvaux, cho thấy công nghệ này đang trở nên đủ mạnh cho các ứng dụng thương mại.
Nguyên mẫu điện nhiệt
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tụ điện nhiều lớp polymer và chì-scandium-tantalum-oxy (PST) (MLC).
Nguồn: UPCommons
Các nhà nghiên cứu ở Luxembourg đã tạo ra một nguyên mẫu đạt được khả năng làm mát tối đa khi điện áp dưới 10V trên micromet, tạo ra mức làm mát tối đa là 4.2W.
Nguồn: TechSpot
Đây là một cải tiến căn bản so với tất cả các phương pháp được phát triển trước đó, với khoảng nhiệt độ và công suất làm mát lần lượt lớn hơn 50% và 15 lần so với các thiết bị điện nhiệt tốt nhất trước đây.
Điều này đặt các giải đấu nguyên mẫu lên trên tất cả các khái niệm về nhiệt lượng điện đã được thử nghiệm trước đó.
Nguồn: UPCommons
Nguồn: UPCommons
Vật liệu này cũng đã được thử nghiệm trong các chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại và không có dấu hiệu xuống cấp.
Trong số rất nhiều ưu điểm của hệ thống điện năng là việc sử dụng điện trực tiếp làm cho bộ làm mát EC có khối lượng nhỏ gọn và phù hợp cho việc thu nhỏ. Vì vậy, bên cạnh máy bơm nhiệt trong tương lai, nó cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử nhỏ và pin.
Nó cũng có hiệu suất rất cao, có khả năng cao hơn nhiều so với mức mà hệ thống bơm nhiệt nén có thể hy vọng đạt được.
Cải thiện hơn nữa
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học mô tả một nguyên mẫu. Một số cải tiến hơn nữa cũng được thảo luận.
Ví dụ, nguyên mẫu hiện tại sử dụng chất lỏng điện môi thay vì nước để ngăn ngừa đoản mạch. Tuy nhiên, chất lỏng điện môi này có tính chất nhiệt kém so với nước.
Vì vậy, việc phát triển tụ điện nhiều lớp chống nước (MLC) có thể cải thiện đáng kể tốc độ và khả năng làm mát của hệ thống.
Việc tăng số lượng và mật độ MLC cũng có thể mang lại khả năng làm mát nhiều hơn.
Cuối cùng, các mô-đun điện nhiệt mỏng hơn và phẳng hơn sẽ hữu ích, và vẫn chưa rõ liệu việc áp dụng điện trường cao hơn có khả thi và an toàn hay không.
Các công ty bơm nhiệt tiên tiến
Hiện tại chưa có công ty nào thương mại hóa máy bơm nhiệt điện hoặc hệ thống làm mát. Nó vẫn còn là một lĩnh vực vật lý học thuật và ứng dụng.
Tuy nhiên, có khả năng là hiện nay công nghệ đang phát triển ở mức độ hiệu quả, khiến cho việc thương mại hóa trở nên khả thi, các viện nghiên cứu này sẽ tìm cách kiếm tiền từ các bằng sáng chế của họ.
Vì vậy, sẽ rất thú vị khi quan sát những công ty dẫn đầu trong ngành bơm nhiệt có thể hưởng lợi từ việc cấp phép IP cho các thiết bị điện nhiệt.
Cũng có khả năng là việc tạo ra các hệ thống điện nhiệt cấp thương mại và phân phối chúng tới người dùng cuối sẽ là một quá trình tốn rất nhiều vốn, có lợi cho các tác nhân lớn nhất trong ngành.
1. Hãng vận tải toàn cầu
(CARR )
Carrier là người dẫn đầu trong HVAC (thương mại và dân cư), dây chuyền lạnhvà chữa cháy & an ninh, với hơn 58,000 nhân viên. Mặc dù không chỉ bán máy bơm nhiệt, đây là danh mục sản phẩm trọng tâm của công ty và được coi là tương lai của ngành.
Nó chủ yếu tập trung vào châu Mỹ, với HVAC chiếm hơn một nửa doanh thu.
Nguồn: Carrier Global
Nó có cơ sở lắp đặt hơn 330,000 HVAC thương mại, 33 triệu HVAC dân dụng, 1.8 triệu thiết bị làm lạnh và hơn 90 triệu hệ thống cứu hỏa và an ninh.
Công ty quyết tâm giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính (GHG) vào năm 2030.
Xem xét rằng phần lớn lượng khí thải này đến từ chất làm mát amoniac, khả năng chuyển sang hệ thống điện nhiệt trong tương lai mang lại cho ngành này một con đường phía trước trong đó lượng khí thải duy nhất của nó liên quan đến tiêu thụ năng lượng và khai thác kim loại, sẽ được cung cấp năng lượng tái tạo.
Nguồn: Carrier Global
2. Công nghiệp Daikin
Công ty Nhật Bản được thành lập năm 1924 có thể tự hào là công ty sản xuất máy điều hòa không khí số 1 thế giới.
Công ty đã hoạt động trong lĩnh vực bơm nhiệt từ năm 2006 và ngay từ năm 2008 đã thành lập liên minh kinh doanh với Điện Máy Gree, nhà sản xuất điều hòa không khí hàng đầu Trung Quốc.
Nó chủ yếu được bán ở Châu Mỹ, Châu Âu và Đông Á, nhưng cũng có sự tăng trưởng bùng nổ ở các thị trường như Ấn Độ, với doanh số tăng 23 lần từ năm 2009 đến năm 2022.
Nguồn: Daikin
Một trong những điểm mạnh cạnh tranh của Daikin là chất làm mát R32, có tác động đến hiện tượng nóng lên toàn cầu thấp hơn nhiều so với các đối thủ cạnh tranh.
Điều này có nghĩa là sự xuất hiện của các hệ thống điện nhiệt có thể là mối đe dọa đối với vị thế cạnh tranh của công ty trong ngắn hạn.
Nguồn: Daikin
Nhưng đồng thời, nó phản ánh sự tập trung từ trước của công ty vào tác động môi trường của hệ thống làm mát và năng lực đổi mới (họ đã đầu tư 300 triệu USD vào trung tâm R&D mới vào năm 2015) và sẽ làm cho nó trở thành một ứng cử viên sáng giá để phát triển các hệ thống này ở quy mô thương mại.
Một dấu hiệu mạnh mẽ cho thấy sự tận tâm của Daikin đối với đổi mới thân thiện với môi trường là việc được tiếp cận miễn phí các bằng sáng chế cơ bản cho R32 trên toàn thế giới kể từ năm 2015 và được tiếp cận miễn phí vào năm 2019 đối với tất cả các bằng sáng chế của tập đoàn kể từ năm 2011.
3. Tập đoàn NIBE
Các nhà đầu tư quan tâm đến triển vọng của máy bơm nhiệt và hệ thống điện nhiệt có thể muốn một công ty hoàn toàn cống hiến cho lĩnh vực này mà không bị phiền nhiễu và rủi ro liên quan đến các công nghệ khác.
Trong trường hợp này, họ có thể quan tâm đến Nibe, một nhà sản xuất giày dép ở Châu Âu. bơm nhiệt, Cũng như bếp lò (một nguồn nhiệt trung hòa carbon khác).
Công ty có nguồn gốc từ Thụy Điển và vẫn thực hiện phần lớn doanh số bán hàng ở các nước Bắc Âu cũng như Châu Âu. Nó có 21,333 nhân viên vào năm 2022.
Nguồn: Nibe
Máy bơm nhiệt của công ty có tránh được lượng phát thải 360,000 tấn CO2 chỉ trong một năm.
Là một công ty tập trung hơn, Nibe cũng lớn như Daikin hay Carrier khi chỉ nói về máy bơm nhiệt.
Với nghiên cứu về vật liệu điện nhiệt đang được tiến hành ở các quốc gia như Luxembourg và Đức, điều này có thể mở đường cho các công ty châu Âu như Nibe thiết lập mối quan hệ đặc quyền với các nhà nghiên cứu và là một trong những công ty đầu tiên mở rộng sản phẩm của họ ra ngoài máy bơm nhiệt dựa trên nén.
