Magnetokaloryczna pompa ciepła – przełom w ogrzewaniu
Naukowcy z Ames National Laboratory w USA opracowali prototyp pompy ciepła magnetokalorycznej (MCHP), która eliminuje konieczność stosowania szkodliwych czynników chłodniczych. Urządzenie to dorównuje tradycyjnym pompom sprężarkowym pod względem wagi, kosztów i wydajności, a jednocześnie oferuje bardziej przyjazne dla środowiska rozwiązanie.
Pompa ta wykorzystuje gadolin – materiał o unikalnych adekwatnościach magnetokalorycznych. System opiera się na koncepcji aktywnego regeneratora magnetycznego (AMR) oraz źródłach magnetycznych zbudowanych z magnesów trwałych i stali o wysokiej przenikalności magnetycznej.
Jak działa to rozwiązanie?
Pompa magnetokaloryczna działa dzięki efektowi magnetokalorycznemu, który polega na zmianie temperatury materiału w wyniku zmiany pola magnetycznego. Ciecz robocza przepływa przez złoże materiału magnetokalorycznego, przenosząc ciepło do wymienników ciepła na gorącej i zimnej stronie urządzenia.
Uproszczając: zmiana pola magnetycznego powoduje, iż materiał się nagrzewa lub ochładza, a ciecz robocza transportuje te zmiany temperatury tam, gdzie są potrzebne – do ogrzewania lub chłodzenia.
Przewaga nad tradycyjnymi systemami
W odróżnieniu od pomp sprężarkowych, pompa magnetokaloryczna nie wykorzystuje gazów cieplarnianych, takich jak czynnik R-410A czy R-22, które są głównym źródłem emisji w tradycyjnych systemach HVAC. To sprawia, iż rozwiązanie będzie nie tylko bardziej ekologiczne, ale też może przełożyć się na potencjalne oszczędności w eksploatacji (brak konieczności uzupełniania czynnika chłodniczego).
Jak jest zbudowany prototyp?
Prototyp opracowany przez naukowców bazuje na prostym użyciu specjalnego metalu — gadolinu jako materiału roboczego. Zespół zoptymalizował konstrukcję, zmniejszając masę magnetycznych komponentów i zwiększając gęstość mocy urządzenia – od 5,9 W/kg do 81,3 W/kg.
Dalsze analizy wykazały, iż maksymalna teoretyczna gęstość mocy MCHP wynosi 114 W/kg, co odpowiada wydajności sprężarek o mocy do 3 kW.
Przy porównywaniu wyników badań okazało się, iż urządzenie osiągało moce chłodnicze w szerokim zakresie – od 37 W do 43,5 kW. To wskazuje, iż opracowana pompa może skutecznie konkurować z tradycyjnymi pompami ciepła, zachowując przy tym wysoką efektywność energetyczną i potencjał dla różnych zastosowań, od małych systemów domowych po większe instalacje przemysłowe.
Potencjał rynkowy i korzyści ekologiczne
Tradycyjne systemy grzewcze wykorzystują czynniki chłodnicze, które odpowiadają za choćby 10% globalnych emisji gazów cieplarnianych. Dzięki technologii MCHP możliwe jest całkowite wyeliminowanie tych emisji. Ponadto urządzenie zużywa mniej energii niż tradycyjne pompy, co przekłada się na niższe koszty eksploatacji.
Główne elementy urządzenia – magnesy trwałe i stal – odpowiadają za większość masy. Dzięki redukcji masy oraz wykorzystaniu tańszych materiałów możemy osiągnąć konkurencyjne koszty masowej produkcji – wyjaśnia Julie Slaughter, liderka projektu badawczego nad pompą magnetokaloryczną prowadzonego przez Ames National Laboratory.
