تطوير حلول التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) باستخدام المواد الكهروسعرية

الطلب الهائل على الطاقة من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

يستخدم المجتمع الصناعي الحديث الكثير من الطاقة. أحد التطبيقات التي نميل إلى الاستهانة بها عندما يتعلق الأمر باستخدام الطاقة هو التبريد والتدفئة. وهي تمثل أكثر من نصف إجمالي استهلاك الطاقة في العالم، متقدمة على الكهرباء (20%) والنقل (30%)..

لذلك، ربما يكون تشغيل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء) بالكهرباء أكثر من المركبات الكهربائية، وهو أمر بالغ الأهمية في تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون. خاصة أنه من المتوقع أن يتضاعف الطلب على التبريد العادل ثلاث مرات بحلول عام 2050 بسبب التنمية الاقتصادية في البلدان ذات الطقس الدافئ ذات الكثافة السكانية الكبيرة مثل الهند وإندونيسيا.

المصدر دايكن

حتى الآن، كانت التكنولوجيا المفضلة لتحقيق التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) عالية الكفاءة هي المضخات الحرارية التي تستخدم التبريد بالضغط.

هناك الآن تكنولوجيا جديدة قادمة لتحدي الوضع الراهن، استنادا إلى مبدأ فيزيائي يسمى "التبريد الكهروسعري".

كيف تعمل المضخات الحرارية

الكل مضخات حرارية، من مضخات الحرارة الانضغاطية إلى مضخات الحرارة الكهربائية الحرارية المستقبلية، تعمل على مبدأ أساسي: نقل الحرارة بدلاً من توليدها.

وهذا مبدأ مختلف تمامًا عن أنظمة التدفئة الكهربائية المعتمدة على الوقود الأحفوري وغيرها، حيث يتم استهلاك الكهرباء أو الغاز/الفحم/النفط لإنتاج الحرارة.

وبدلاً من ذلك، تأخذ المضخة الحرارية الحرارة من أحد جوانب الجدار وتنقلها إلى الجانب الآخر. وفي الشتاء، يمتص الحرارة من الخارج ويرسلها إلى داخل المبنى. وفي الصيف، يتم عكس هذه العملية لتبريد المبنى ويعمل مثل تكييف الهواء.

يعتبر نقل الحرارة أكثر كفاءة بكثير من توليدها. يسمح ذلك لمضخة حرارية تعتمد على الضغط بتوليد 2-4 واط من الحرارة/البرودة لكل واط من الطاقة المستهلكة.

المصدر RMI

تنتقل الحرارة داخل وخارج البيئة، مع وجود خيارين رئيسيين هما استخدام الهواء الخارجي أو التربة المحيطة من خلال الأنابيب تحت الأرض.

تُستخدم المضخات الحرارية غالبًا لتدفئة وتبريد المباني مثل المكاتب والمساحات التجارية والمنازل. ومع ذلك، يمكن استخدامه أيضًا في بيئة صناعية، حيث يتم إعادة استخدام مصادر الطاقة من عملية صناعية إلى أخرى، مما يؤدي إلى توفير هائل في الطاقة هنا أيضًا.

المصدر SINTEF

مضخات الحرارة الكهربائية الحرارية لتتجاوز الضغط

التقدم في التكنولوجيا الكهربائية

تستخدم المضخات الحرارية التقليدية التأثير الحراري للضغط وإزالة الضغط لنقل الحرارة من نقطة إلى أخرى. وهذا يتطلب عوامل تبريد مثل مركبات الهيدروفلوروكربون أو الأمونيا التي لها تأثيرات دفيئة مباشرة أو غير مباشرة على المناخ.

المبدأ الكهروسعري مختلف. يسخن النظام الكهروسعري عند تعرضه للمجالات الكهربائية، حيث يتسبب في اصطفاف الذرات في اتجاه واحد، مما يقلل الإنتروبيا. ويحدث العكس، مما يسبب التبريد عندما تتوقف المجالات الكهربائية.

المصدر فراونهوفر IPM

لقد عُرفت التأثيرات الكهروسعرية منذ الستينيات، ولكن في ذلك الوقت، كان أقوى اختلاف في درجة الحرارة يمكن تحقيقه هو 1960 درجة مئوية فقط.

تم إحراز بعض التقدم في عام 2006 عندما حققت طبقة رقيقة من الرصاص والتيتانيوم والأكسجين والزركونيوم قدرة تبريد تبلغ 12 درجة مئوية..

ومع ذلك، فإن الاختراق الأخير لتغير درجة الحرارة بحوالي 21 درجة مئوية، والذي حققه باحثون من معهد لوكسمبورغ للعلوم والتكنولوجيا في بلفويوضح أن التكنولوجيا أصبحت قوية بما يكفي للتطبيقات التجارية.

النموذج الكهروسعري

استخدم الفريق مكثفات متعددة الطبقات من البوليمر والرصاص والتنتالوم والأكسجين (PST).

المصدر: UPCommons

ابتكر الباحثون في لوكسمبورغ نموذجًا أوليًا حقق أقصى قدر من التبريد عندما يكون أقل من 10 فولت لكل ميكرومتر من الطاقة، مما يخلق أقصى تبريد يبلغ 4.2 واط.

المصدر Techspot

يعد هذا تحسنًا جذريًا عن جميع الطرق التي تم تطويرها مسبقًا، مع نطاق درجة حرارة وقوة تبريد، على التوالي، أكبر بنسبة 50% و15 مرة من أفضل الأجهزة الكهربائية الحرارية السابقة.

وهذا يضع النماذج الأولية في مقدمة جميع المفاهيم الكهروسعرية التي تم اختبارها مسبقًا.

المصدر: UPCommons

المصدر: UPCommons

تم اختبار المادة أيضًا لدورات التسخين والتبريد المتكررة ولم تظهر أي علامة على التدهور.

من بين المزايا العديدة للأنظمة الكهروسعرية هو أن الاستخدام المباشر للكهرباء يجعل مبردات EC مضغوطة الحجم ومناسبة للتصغير. لذا، إلى جانب المضخات الحرارية المستقبلية، ويمكن استخدامه أيضًا في الإلكترونيات والبطاريات الصغيرة.

كما أنها تتمتع بكفاءة عالية جدًا، ومن المحتمل أن تكون أعلى بكثير مما يمكن أن يأمل نظام المضخة الحرارية المضغوطة في تحقيقه.

تحسينات اضافيه

البحث نشر في مجلة العلوم يصف النموذج الأولي. وتناقش بعض التحسينات الإضافية كذلك.

على سبيل المثال، يستخدم النموذج الأولي الحالي سائلًا عازلًا بدلاً من الماء لمنع حدوث دوائر قصيرة. ومع ذلك، فإن هذا السائل العازل له خصائص حرارية سيئة مقارنة بالمياه.

لذلك، فإن تطوير المكثفات المقاومة للماء متعددة الطبقات (MLC) يمكن أن يحسن بشكل كبير من سرعة النظام وقدرته على التبريد.

زيادة عدد وكثافة MLCs يمكن أن يؤدي أيضًا إلى زيادة إمكانات التبريد.

وأخيرًا، قد تساعد الوحدات الكهروسعرية الرقيقة والمسطحة، وليس من الواضح ما إذا كان تطبيق المجالات الكهربائية الأعلى ممكنًا وآمنًا.

شركات المضخات الحرارية المتقدمة

لا توجد حاليًا أي شركة تقوم بتسويق المضخات الحرارية الكهربائية أو أنظمة التبريد. لا يزال مجال الفيزياء الأكاديمي والتطبيقي إلى حد كبير.

ومع ذلك، فمن المحتمل الآن بعد أن تطورت التكنولوجيا على مستوى من الكفاءة، مما يجعل التسويق التجاري قابلاً للتطبيق، فإن معاهد البحوث هذه سوف تتطلع إلى تحقيق الدخل من براءات الاختراع الخاصة بها.

لذلك، قد يكون من المثير للاهتمام أن ننظر إلى القادة في صناعة المضخات الحرارية الذين يمكنهم الاستفادة من ترخيص الملكية الفكرية للأجهزة الكهربائية الحرارية.

ومن المحتمل أيضًا أن يكون إنشاء أنظمة الكهروسعرية التجارية وتوزيعها على المستخدمين النهائيين عملية كثيفة الاستخدام لرأس المال، مما يفضل أكبر الجهات الفاعلة في الصناعة.

1. كاريير جلوبال

الناقل هي الشركة الرائدة في تكييف مركزي (تجارية وسكنية)، سلسلة التبريدو النار والأمن، مع أكثر من 58,000 موظف. على الرغم من أنها لا تبيع المضخات الحرارية فقط، إلا أنها فئة من المنتجات التي تركز عليها الشركة والتي تعتبرها مستقبل الصناعة.

وتركز في الغالب على الأمريكتين، حيث تحقق أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) أكثر من نصف مبيعاتها.

المصدر: Carrier Global

لديها قاعدة مركبة تضم أكثر من 330,000 نظام تكييف هواء تجاري، و33 مليون جهاز تكييف هواء سكني، و1.8 مليون جهاز تبريد، وأكثر من 90 مليون نظام إطفاء وأمن.

وتعتزم الشركة خفض انبعاثات الغازات الدفيئة (GHG) بشكل كبير بحلول عام 2030.

وبالنظر إلى أن الكثير من هذه الانبعاثات تأتي من مبردات الأمونيا، فإن إمكانية التحول إلى نظام السعرات الحرارية الكهربائية في المستقبل توفر للصناعة طريقًا للأمام حيث ترتبط انبعاثاتها الوحيدة باستهلاك الطاقة وتعدين المعادن، والتي سيتم تشغيلها بواسطة مصادر الطاقة المتجددة.

المصدر: Carrier Global

2. صناعة دايكن

يمكن للشركة اليابانية التي تأسست عام 1924 أن تدعي أنها شركة تكييف الهواء رقم 1 في العالم.

تنشط الشركة في مجال المضخات الحرارية منذ عام 2006 وأنشأت في وقت مبكر من عام 2008 تحالفًا تجاريًا مع شركة جري للاجهزة الكهربائية، أكبر شركة مصنعة لأجهزة تكييف الهواء في الصين.

يتم بيعها في الغالب في الأمريكتين وأوروبا وشرق آسيا، ولكنها شهدت نموًا هائلاً في أسواق مثل الهند أيضًا، مع زيادة في المبيعات بمقدار 23 ضعفًا بين عامي 2009 و2022.

المصدر دايكن

ومن بين نقاط القوة التنافسية لشركة دايكين سائل التبريد R32، الذي يتميز بتأثير أقل بكثير على ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي مقارنة بمنافسيها.

وهذا يعني أن ظهور أنظمة الطاقة الحرارية الكهربائية قد يشكل في الأمد القريب تهديداً للموقف التنافسي للشركة.

المصدر دايكن

ولكن في الوقت نفسه، فإنه يعكس التركيز المسبق للشركة على التأثير البيئي لأنظمة التبريد وقدرات الابتكار (استثمرت 300 مليون دولار في مركز جديد للبحث والتطوير في عام 2015) وستجعله مرشحًا جيدًا لتطوير هذه الأنظمة على نطاق تجاري.

إن المؤشر القوي على التزام شركة دايكن بالابتكار الصديق للبيئة هو الوصول المجاني في جميع أنحاء العالم إلى براءات الاختراع الأساسية لـ R32 منذ عام 2015 والوصول المجاني في عام 2019 إلى جميع براءات اختراع المجموعة منذ عام 2011.

3. مجموعة نايب

قد يرغب المستثمرون المهتمون باحتمال المضخات الحرارية وأنظمة السعرات الحرارية الكهربائية في شركة مخصصة بالكامل لهذا القطاع، دون الانحرافات والمخاطر المرتبطة بالتقنيات الأخرى.

في هذه الحالة، قد يكونون مهتمين بشركة Nibe، وهي شركة تصنيع أوروبية مضخات حرارية، طالما مواقد الخشب (مصدر حرارة آخر محايد للكربون).

الشركة في الأصل من السويد ولا تزال تجري جزءًا كبيرًا من مبيعاتها في بلدان الشمال الأوروبي، وكذلك أوروبا. كان لديها 21,333 موظفًا في عام 2022.

المصدر NIBE

تتمتع مضخات الحرارة الخاصة بالشركة تجنبت انبعاثات 360,000 ألف طن من ثاني أكسيد الكربون في عام واحد فقط.

وباعتبارها شركة أكثر تركيزًا، فإن Nibe تعتبر كبيرة مثل Daikin أو Carrier عندما يتعلق الأمر بالمضخات الحرارية وحدها.

ومع إجراء أبحاث حول المواد الكهربائية الحرارية في بلدان مثل لوكسمبورغ وألمانيا، فإن هذا يمكن أن يفتح الطريق أمام الشركات الأوروبية مثل نيبي لإقامة علاقات مميزة مع الباحثين وتكون من بين أوائل الشركات التي توسع عروضها إلى ما هو أبعد من المضخات الحرارية القائمة على الضغط.