Повечето компресори, използвани в термопомпите, изискват употребата на вредни хладилни агенти, чието потребление в бъдеще ще бъде все по-ограничавано чрез законодателни мерки. Ето защо шест Фраунхоферски института разработват съвместно високоефективни електрокалорични термопомпи, които не използват вредни хладилни агенти.
Термопомпите на базата на компресор намират приложение за отопление и охлаждане. Хладилните агенти, използвани в системите обаче, са вредни за климата, здравето и околната среда, а в някои случаи са и експлозивни. Увреждащият озоновия слой флуорхлорвъглеводород отдавна е забранен, а използването на флуорирани въглеводороди, които са вредни за климата, също е строго регулирано от европейския регламент за Ф-газовете (флуоросъдържащи парникови газове). От друга страна, базираните на твърди тела термопомпи, към които спадат електрокалоричните системи, работят с безвредни течности – например с вода.
Електрокалоричните системи са и безшумни, което е важно например за климатизацията на електрическите превозни средства. Според досегашните познания има основания да се счита, че електрокалоричните термопомпи ще надминат компресорната технология и по отношение на ефективността. „Виждаме възможност за пълна замяна на термопомпите на базата на компресори в дългосрочен план“, споделя Карстен Бузе, ръководител на Фраунхоферския институт IPM, който оглавява проекта. „Въз основа на знанията, които сме придобили в тази област, електрокалоричността може да има силен потенциал за приложение в технологиите за отопление и охлаждане.
Използване на възобновяема електроенергия за отопление
Според Федералната агенция по околна среда на Германия повече от половината от използвана в страната енергия се употребява за отопление и охлаждане. Ето защо термопомпи, които използват топлина от околната среда за отопление и подгряване на вода в сградите и работят с електричество от възобновяеми източници, са важен градивен елемент за осъществяването на топлинния преход. Увеличаването на броя на термопомпите обаче е бавно. Причината е недостатъчната икономичност. Електрокалоричните термопомпи обещават значително по-висока ефективност, което ще допринесе за разпространението им за климатизацията на сгради. В областта на хладилната техника изследователската група се занимава основно с индустриална хладилна техника, климатизация на превозни средства, охлаждане на сървъри и лабораторни хладилници. По принцип технологията е подходяща и за домакински хладилни уреди. В този сектор повечето производители вече преминават към употребата на естествени хладилни агенти като изобутан или пропан. Въпреки че последните не вредят на климата, те са силно експлозивни, така че не са подходящи за приложение в критични области – например в промишлеността или при превозните средства.
Как работи електрокалоричната термопомпа?
Ако приложите електрическо поле към електрокалорични материали, електрическите моменти в полето се подравняват и материалът се нагрява. Генерираната топлина се отвежда чрез топлообменник, така че материалът отново да се охлади до началната температура. Ако електрическото поле бъде премахнато, подреждането на електрическите моменти намалява и материалът се охлажда. Сега той може да абсорбира топлинна енергия от топлинен източник. Ефектът работи и в двете посоки. По този начин може да се установи цикъл, който функционира като ефективна термопомпа за охлаждане или отопление.
Иновации в материали и преноса на топлина
Учените ще работят върху материалите и системите, за да демонстрират силния потенциал на технологията. Фраунхоферският институт IKTS има богат опит с керамични електрокалорични материали и покрития. Институтите IAP и LBF предоставят ноу-хау за разработването на полимерни материали, които ще бъдат допълнително развивани с цел използване в електрокалорични термопомпи. Институтът FEP разработва специални покрития за изолация и функционализиране на компонентите. В допълнение към функционалните полимери институтът LBF ще изследва също живота и надеждността на материалите и системите. Учените от IAF ще работят по електрическото управление за термопомпите. Материалите и компонентите трябва да са устойчиви за дълго време, достатъчно достъпни, евтини и не на последно място – безвредни.
Всички тези компетенции са комбинирани за прилагане на изцяло нов системен подход, патентован от института IPM: той се състои от реализирането на топлопренос чрез комбинацията от изпаряване и кондензация на безвредна течност в така наречените топлинни тръби с термичен диод. Досега отдаването на топлината беше проблемен момент по отношение на ефективността на електрокалоричните системи: колкото по-бързо се случва това, толкова по-мощна е помпата. Предварителните проучвания показват, че това може да се направи много по-бързо с новата концепция. Системите работят без активно изпомпване и по този начин достигат многократно по-висока честота на цикъла, отколкото в предходни системи. Целта на екипа е след четири години да представи демонстратор с мощност от 100 вата и повишаване на температурата от 30 келвина.