Розвиток рішень HVAC з електрокалорійними матеріалами

Величезний попит на енергію від HVAC

Сучасне індустріальне суспільство споживає багато енергії. Однією з програм, яку ми, як правило, недооцінюємо, коли йдеться про споживання енергії, є охолодження та нагрівання. На нього припадає більше половини загального світового споживання енергії, випереджаючи електроенергію (20%) і транспорт (30%).

Тож, можливо, навіть більше, ніж електромобілі, електрифікація систем HVAC (опалення, вентиляції та кондиціонування повітря) і підвищення їх ефективності має вирішальне значення для зменшення споживання енергії та викидів вуглецю. Особливо тому, що очікується, що до 2050 року попит на просто охолодження зросте втричі внаслідок економічного розвитку в країнах з теплою погодою та великим населенням, наприклад, в Індії та Індонезії.

джерело: Daikin

Дотепер найпопулярнішою технологією для досягнення високоефективного HVAC були теплові насоси з використанням компресійного охолодження.

Зараз з’являється нова технологія, яка кидає виклик статус-кво, заснована на фізичному принципі під назвою «електрокалорійне охолодження».

Як працюють теплові насоси

ВСІ теплові насоси, від компресійних теплових насосів до майбутніх електрокалорійних теплових насосів, функціонують за основним принципом: переміщення тепла замість його генерування.

Цей принцип дуже відрізняється від систем опалення, що працюють на викопному паливі та інших електричних системах опалення, у яких для виробництва тепла споживається або електроенергія, або газ/вугілля/нафта.

Натомість тепловий насос забирає тепло з одного боку стіни та передає його на інший бік. Взимку він поглинає тепло ззовні і направляє його всередину будівлі. Влітку він повертає цей процес, щоб охолодити будівлю, і працює як кондиціонер.

Переміщення тепла набагато ефективніше, ніж його генерування. Це дозволяє тепловому насосу на основі стиснення генерувати 2-4 Вт тепла/холоду на кожен Вт спожитої потужності.

джерело: RMI

Тепло переміщується в навколишнє середовище та виходить із нього, при цьому 2 основні варіанти – використання зовнішнього повітря або навколишнього ґрунту через підземні труби.

Теплові насоси найчастіше використовуються для обігріву та охолодження будівель, таких як офіси, комерційні приміщення та будинки. Однак його також можна використовувати в промислових умовах, повторно використовуючи джерела енергії з одного промислового процесу в інший, що також призводить до значної економії енергії.

джерело: Sintef

Електрокалорійні теплові насоси, щоб вийти за межі стиснення

Прогрес електрокалорійної технології

Традиційні теплові насоси використовують тепловий ефект стиснення та декомпресії для переміщення тепла з однієї точки в іншу. Для цього потрібні холодоагенти, такі як гідрофторвуглеці або аміак, які мають прямий чи непрямий парниковий вплив на клімат.

Електрокалорійний принцип інший. Електрокалорійна система нагрівається під впливом електричних полів, оскільки це змушує атоми вирівнюватися в одному напрямку, зменшуючи ентропію. Відбувається зворотне, викликаючи охолодження, коли електричні поля припиняються.

джерело: Фраунгофера ІПМ

Електрокалорійні ефекти відомі з 1960-х років, але тоді найсильніша різниця температур, якої можна було досягти, становила лише 2.5°C.

Було досягнуто певного прогресу у 2006 році, коли тонка плівка свинцю-титану-кисню-цирконію досягла 12°C охолоджуючої здатності.

Однак недавній прорив майже на 21°C змінив температуру, досягнутий дослідниками Люксембурзький інститут науки і технологій у Бельво, показує, що технологія стає достатньо потужною для комерційних застосувань.

Електрокалорійний прототип

Команда використовувала полімерні та свинцево-скандієво-танталово-кисневі (PST) багатошарові конденсатори (MLC).

Джерело: UPCommons

Люксембурзькі дослідники створили прототип, який досягає максимального охолодження при напрузі нижче 10 В на мікрометр потужності, створюючи максимальне охолодження 4.2 Вт.

джерело: TechSpot

Це радикальне вдосконалення в порівнянні з усіма раніше розробленими методами, з діапазоном температур і потужністю охолодження, відповідно, на 50% і в 15 разів більшими, ніж у попередніх кращих електрокалорійних пристроїв.

Це ставить прототип ліги попереду всіх раніше випробуваних електрокалорійних концепцій.

Джерело: UPCommons

Джерело: UPCommons

Матеріал також був протестований на багаторазові цикли нагрівання та охолодження, і не виявив жодних ознак деградації.

Серед багатьох переваг електрокалорійних систем є те, що пряме використання електроенергії робить EC-холодильники компактними за обсягом і придатними для мініатюризації. Отже, окрім майбутніх теплових насосів, його також можна використовувати в невеликій електроніці та акумуляторах.

Він також має дуже високий ККД, потенційно набагато вищий, ніж може сподіватися досягти система компресійного теплового насоса.

Подальше вдосконалення

Дослідження опубліковано в журналі Science описує прототип. Також обговорюються деякі подальші вдосконалення.

Наприклад, поточний прототип використовує діелектричну рідину, а не воду, щоб запобігти коротким замиканням. Однак ця діелектрична рідина має погані теплові властивості порівняно з водою.

Таким чином, розробка водонепроникних багатошарових конденсаторів (MLC) може значно підвищити швидкість і охолоджувальну здатність системи.

Збільшення кількості та щільності MLC також може призвести до збільшення потенціалу охолодження.

Нарешті, допомогли б більш тонкі та плоскі електрокалорійні модулі, і не ясно, чи можливе та безпечне застосування сильніших електричних полів.

Прогресивні компанії з виробництва теплових насосів

На даний момент немає жодної компанії, яка б комерціалізувала електрокалорійні теплові насоси чи системи охолодження. Це як і раніше академічна та прикладна галузь фізики.

Однак цілком імовірно, що зараз, коли технологія розвивається на рівні ефективності, що робить комерціалізацію життєздатною, ці дослідницькі інститути намагатимуться монетизувати свої патенти.

Отже, було б цікаво поглянути на лідерів у галузі теплових насосів, які могли б отримати вигоду від ліцензування інтелектуальної власності на електрокалорійні пристрої.

Цілком ймовірно також, що створення електрокалорійних систем комерційного рівня та їх розповсюдження кінцевим користувачам буде дуже капіталомістким процесом, який надаватиме перевагу найбільшим гравцям галузі.

1. Глобальний перевізник

Carrier є лідером у HVAC (комерційні та житлові), холодний ланцюг та пожежна та безпека, з 58,000 XNUMX+ співробітників. Хоча компанія не продає лише теплові насоси, це категорія продуктів, на якій компанія зосереджена і в якій вона бачить майбутнє галузі.

Він здебільшого зосереджений на Північній і Південній Америці, де HVAC складає більше половини продажів.

Джерело: Carrier Global

Він має встановлену базу з 330,000 33+ комерційних HVAC, 1.8 мільйонів житлових HVAC, 90 мільйона холодильного обладнання та XNUMX+ мільйонів протипожежних і охоронних систем.

Компанія має намір різко скоротити викиди парникових газів (ПГ) до 2030 року.

З огляду на те, що велика частина цих викидів походить від охолоджувачів аміаку, можливість переходу на електрокалорійну систему в майбутньому пропонує промисловості шлях вперед, де її єдині викиди пов’язані зі споживанням енергії та видобутком металу, який буде працювати за рахунок відновлюваних джерел енергії.

Джерело: Carrier Global

2. Daikin Industry

Японська компанія, заснована в 1924 році, може претендувати на звання компанії номер 1 у світі з виробництва кондиціонерів.

Компанія активно працює в сфері теплових насосів з 2006 року і вже в 2008 році створила бізнес-альянс з Електричний прилад Gree, провідний китайський виробник кондиціонерів.

Він здебільшого продається в Америці, Європі та Східній Азії, але також зазнав вибухового зростання на таких ринках, як Індія, з 23-кратним зростанням продажів між 2009 і 2022 роками.

джерело: Daikin

Однією з конкурентних переваг Daikin є холодоагент R32, який має значно менший вплив на глобальне потепління, ніж його конкуренти.

Це означає, що поява електрокалоричних систем може в короткостроковій перспективі становити загрозу для конкурентних позицій компанії.

джерело: Daikin

Але водночас це відображає попередню увагу компанії до впливу систем охолодження на навколишнє середовище та інноваційних можливостей (у 300 році він інвестував 2015 мільйонів доларів США в новий науково-дослідний центр) і зробить його хорошим кандидатом для розробки цих систем у комерційних масштабах.

Яскравим свідченням відданості Daikin екологічним інноваціям є всесвітній вільний доступ до основних патентів на R32 з 2015 року та вільний доступ у 2019 році до всіх патентів групи з 2011 року.

3. NIBE Group

Інвестори, зацікавлені в перспективі теплових насосів і електрокалорійних систем, можуть захотіти компанію, повністю присвячену цьому сектору, без відволікань і ризиків, пов’язаних з іншими технологіями.

У цьому випадку їх може зацікавити європейський виробник Nibe теплові насоси, А також дров’яні печі (інше вуглецево-нейтральне джерело тепла).

Компанія родом зі Швеції, і все ще здійснює значну частину своїх продажів у скандинавських країнах, а також у Європі. У 21,333 році в ньому працювало 2022 XNUMX співробітники.

джерело: Nibe

Теплові насоси компанії мають вдалося уникнути викидів 360,000 2 тонн COXNUMX лише за один рік.

Як більш цілеспрямована компанія, Nibe настільки ж велика, як Daikin або Carrier, коли справа доходить до теплових насосів.

Оскільки дослідження електрокалорійних матеріалів попереду в таких країнах, як Люксембург і Німеччина, це може відкрити шлях для європейських компаній, таких як Nibe, до встановлення привілейованих відносин із дослідниками та бути одними з перших, хто розширить свою пропозицію за межі компресійних теплових насосів.