Nová technologie tepelných čerpadel, která sníží náklady: obvyklé chladivo nahradí magnety

Výzkumníci z Amesovy národní laboratoře amerického ministerstva energetiky vyvinuli magnetokalorické tepelné čerpadlo, které by podle tiskové zprávy mělo být z hlediska hmotnosti, nákladů a výkonu srovnatelné se současnými tepelnými čerpadly s kompresí par. Magnetokalorická tepelná čerpadla by mohla představovat náhradní technologii chlazení a vytápění, která nepoužívá chladiva škodlivá pro životní prostředí a vyžaduje méně energie k provozu. Magnetokalorická zařízení však byla dosud horší než klasická tepelná čerpadla, pokud jde o hmotnost, náklady a výkon.

V současné době převážně používaná tepelná čerpadla jsou založena na stejné technologii komprese par jako například chladničky, což je proces známý již více než 100 let. V minulosti však výrobci tepelných čerpadel někdy používali syntetická chladiva, například R410A, která mohou po vyčerpání přispívat ke skleníkovému efektu. Od roku 2032 již nebude možné pro účely údržby používat chladivo R410A jako nový výrobek; nadále bude povoleno využít pouze recyklované a regenerované chladivo R410A.

Teplo z magnetických polí: jak fungují magnetokalorická tepelná čerpadla

Julie Slaughterová, vedoucí výzkumného týmu v Amesově národní laboratoři, vysvětlila, že její tým začal konstrukcí magnetokalorického tepelného čerpadla. "Začali jsme tím, že jsme se podívali, co je na trhu a jak blízko jsou stávající magnetokalorická zařízení současným dostupným kompresorovým tepelným čerpadlům," vysvětluje Slaughterová. "Následně jsme vyvinuli základní konstrukci a pak jsme si položili otázku: jak daleko můžeme tuto technologii nyní posunout?"

Magnetokalorický jev popisuje schopnost některých materiálů ochlazovat se nebo zahřívat při působení magnetického pole. V magnetokalorických materiálech se magnetické momenty atomů při vystavení magnetickému poli nebo jeho opuštění přeskupují – atomy uvolňují teplo, které lze následně využít.

Magnetokalorická tepelná čerpadla fungují na základě změny magnetického pole působícího na magnetokalorický materiál při čerpání kapaliny systémem tepelného čerpadla za účelem přenosu tepelné energie, podobně jako dnes používaná tepelná čerpadla. Podle Slaughterové se k tomu obvykle používají permanentní magnety. Základním principem zařízení je otáčení zabudovaných permanentních magnetů vzhledem k magnetokalorickému materiálu. K uzavření magnetického pole uvnitř systému se používá magnetická ocel. Vzájemné uspořádání těchto tří částí hraje důležitou roli ve snaze týmu dosáhnout vyšší hustoty výkonu.

Další část výzkumu spočívala v hodnocení dvou nejběžnějších magnetokalorických materiálů používaných v odpovídajících tepelných čerpadlech z hlediska jejich výkonu a vhodnosti použití. Jedná se o gadolinium (používané mimochodem i při výrobě počítačových pamětí) a materiál na bázi hydridu lanthanu, železa a křemíku.

Dosáhnou magnetokalorická tepelná čerpadla průlomu?

"V našem základním zařízení jsme použili jediný materiál, gadolinium. Materiály lanthanu, železa a křemíku (LaFeSi) mají vyšší výkon než gadolinium. To přirozeně zvyšuje hustotu výkonu. Jen nejsou tak snadno dostupné a k dosažení dobrého výkonu vyžadují použití více materiálů v jednom zařízení," říká Slaughterová. "Do našich hodnocení jsme zahrnuli odhady výkonu LaFeSi pro zařízení s nejvyšší hustotou výkonu."

Výzkum týmu se zaměřil na efektivnější využití dostupného prostoru a materiálů a na snížení množství materiálu permanentních magnetů a magnetické oceli potřebného k efektivnímu provozu čerpadla. Podle tiskové zprávy toto úsilí pomohlo zajistit, že základní části systému nyní odpovídají hmotnosti dnes dostupných tepelných čerpadel s kompresí páry.

"Podařilo se nám ukázat, že můžeme konkurovat hustotě výkonu některých dnes dostupných kompresorů," vysvětlil Slaughterová. "Většinu hmotnosti tvoří permanentní magnety a magnetická ocel, nikoliv drahý magnetokalorický materiál, což je opravdu dobré pro cenovou dostupnost. Vycházeli jsme z toho, že zařízení, které váží přibližně stejně, by mělo při sériové výrobě také stát přibližně stejně."

Přestože jsou magnetokalorická tepelná čerpadla teoreticky velmi účinná, zůstává otázkou, zda se jim podaří dosáhnout významnější změny na trhu. Magnetokalorické materiály jsou obvykle velmi drahé, protože se alespoň zčásti skládají z kovů vzácných zemin. Konstrukce takových tepelných čerpadel je také podstatně složitější než u běžných současných výrobků.

Zdroj: Applied Energy