Mei 2023
Baanbrekend vast materiaal voor koeling warmtepompen
Klimaatvriendelijk alternatief koelgassen
Wereldwijd is er een toename van koelsystemen die grotendeels werken met koelgassen. Deze gassen hebben zijn enerzijds gevaarlijk in gebruik, maar leveren daarnaast ook een aanmerkelijke bijdrage aan de opwarming van de aarde. Dit was voor het bedrijf Magneto – spin off van TU Delft – aanleiding om te zoeken naar een nieuw, vast materiaal voor warmtepompen. Dit zogenaamde magnetocalorische materiaal (MCM) heeft het vermogen om magnetische energie om te zetten in thermische energie en vice versa.
Koeling is een belangrijke en snel groeiende oorzaak van de opwarming van de aarde. Enerzijds door de uitstoot van CO2 en lekkages van sterke HFK-koelgassen (de ‘F’-gassen), anderzijds door het zogenaamde ‘hitte-eiland’ effect in steden. Door het laatste effect voeden de koelsystemen in feite het probleem dat zij proberen op te lossen: airco’s produceren warmte waardoor de omgeving warmer wordt en airco’s harder moeten werken. Een soort vicieuze cirkel die met de huidige generatie koelsystemen niet is op te lossen.
Het rapport ‘Clean cold and the global goals’ van het Birmingham Institute (University of Birmingham) geeft een overzicht van de uitkomsten van een centraal onderzoeksproject naar de manier waarop schone koude kan helpen om bijna alle ‘Global Goals’ van de VN te bereiken. Van het uitbannen van armoede en honger tot het verbeteren van de leefomgeving bij gelijktijdige bevordering van de economie. In dit rapport uit 2018 wordt aangegeven dat koeling niet alleen een grote, maar tevens een groeiende emitter is. Een schatting suggereert dat koeling en airconditioning verantwoordelijk zijn voor ongeveer 10 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot; drie keer zo groot als de uitstoot van de lucht- en scheepvaart bij elkaar. Andere bronnen suggereren dat het gaat om 7 procent van het totaal, maar in alle gevallen wordt gewezen op de relatief snelle toename van de hoeveelheid koelsystemen en de bijbehorende klimaatproblematiek.
Dr. Michael Maschek (links) en Bowei Huang van het Delftse bedrijf Magneto met het 3D-geprinte magnetocalorisch materiaal.
Alternatieven
Oplossingen voor bovenstaande zijn onder meer te vinden in het decarboniseren van koelsystemen. Dat betekent dat de elektriciteit die nodig is voor het draaien van airconditioning-units, afkomstig is van hernieuwbare bronnen. Verder heeft de overheid de wet- en regelgeving aangescherpt waardoor de GWP (global warming potential) -waarde van koelmiddelen sinds 2022 sterk moet zijn verlaagd. Deze maatregelen verlagen de CO2-uitstoot, maar hierdoor is het gevaar om te werken met koelgassen niet afgenomen.
Voor Bowei Huang en dr. Michael Maschek van het Delftse bedrijf Magneto waren dit voldoende triggers om te zoeken naar een milieuvriendelijke en veilige oplossing als antwoord op de wereldwijde groeiende koelvraag. De respectievelijk mechatronica ingenieur en materiaalwetenschapper ontmoetten elkaar in de FAME-groep van de afdeling Radiation, Science and Technology (RST) van het TU Delft Reactor Instituut. FAME staat voor ‘Fundamentele aspecten van materialen en energie’ en is een groep die onderzoek doet naar functionele en structurele materialen gericht op praktische toepassingen. De focus ligt op de relaties tussen structuur, dynamiek en functie op atomaire en nanoschaal. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van neutronen, positronen, röntgenstralen, NMR, muonen, Mossbauer-spectroscopie en eerste principes modellering, zowel op lokale (RID) als internationale faciliteiten.
De materialen kunnen magnetische energie heel efficiënt in warmte omzetten
Maschek: ‘Binnen deze onderzoeksgroep deden we beiden onderzoek naar magnetische verwarming en koeling. Ik koos hiervoor omdat ik denk dat deze geavanceerde technologie een bijdrage kan leveren aan het verbeteren van de wereld in het kader van de klimaatproblematiek. In deze onderzoeksgroep werd echter ook duidelijk dat uitsluitend het doen van wetenschappelijk onderzoek niet voldoende is. Als ik daadwerkelijk een aandeel wilde leveren in de transitie naar veilige en milieuvriendelijke koeltechnieken, die ook geschikt zijn voor toepassing in de industrie, dan moest ik een stap verder zetten. Ervoor zorgen dat nieuwe ontdekkingen en ontwikkelingen worden vertaald naar een marktrijp product. Mijn focus lag daarbij op de ontwikkeling van een vast materiaal als alternatief voor koelgassen. Een materiaal dat niet alleen de aarde spaart, maar vooral ook veiliger is dan de gassen die veelal onder hoge druk worden toegepast.’
1. Werkingsprincipe MCM.
MCM
Het materiaal waar Maschek op doelt, behoort tot de zogenaamde ‘magnetocalorische materialen’ (MCM). Deze materialen zijn uitgevonden door prof.dr. Ekkes Brück. Ook hij is verbonden aan de TU Delft, waar hij sinds 2018 aan het hoofd staat van de FAME-groep. Gedurende een NWO-project naar MnFePAs-materialen, bleek dat deze uitstekende magnetocalorische eigenschappen hadden. Dit betekent dat de materialen magnetische energie heel efficiënt in warmte kunnen omzetten. Een effect dat is toe te passen in zowel koel- als verwarmingssystemen. Inmiddels is het ‘As’-element uit de eerste generatie in de derde generatie vervangen door ‘Si’, waarmee de materialen milieuvriendelijk zijn. Het materiaal is voor het eerst toegepast in een wijnkoeler die werd gepresenteerd in Las Vegas tijdens de CES 2015 en het leverde Brücks in 2016 de prestigieuze ‘FOM prijs’ op.
Het omzetten van magnetische energie in thermische energie en vice versa gebeurt door de MCMs bloot te stellen aan een veranderend magnetisch veld (figuur 1). Simpel gezegd richten de spinmomenten van het materiaal zich naar de richting van het magnetische veld, waardoor het warmer wordt. Bij het verwijderen van het MCM uit het magnetische veld zullen de spinmomenten weer uit dit stramien draaien in een willekeurige richting, waardoor het materiaal afkoelt.
Door deze eigenschap zijn MCM’s geschikt voor opname in thermodynamische cycli waarmee warmte van een reservoirtemperatuur naar een verhoogde temperatuur kan worden gepompt. In een omgekeerde cyclus activeert of deactiveert koeling of verwarming via de magnetische faseovergang de magnetische toestand. Deze is vervolgens te gebruiken om bijvoorbeeld warmte om te zetten in mechanische of elektrische energie.
Huang: ‘Hoewel MCM’s meer dan dertig jaar geleden werden ontdekt en doorontwikkeld, zijn grootschalige toepassingen tot nu toe achterwege gebleven. Dat had niet te maken met de prestaties. De belangrijkste functionaliteit is ruimschoots bewezen in vele experimenten en demonstraties, variërend van warmtepompen tot wijnkoelers. Maar ondanks de eenvoudige werking werd de stap naar bredere toepasbaarheid beperkt door hun lage efficiëntie, beperkte temperatuurbereiken en hoge kosten.’
‘Magnetocalorische warmtepompen verbruiken aanzienlijk minder energie’
Magneto
Om deze drempels te overwinnen, richtten de wetenschappers in 2019 Magneto op als spin-off van TU Delft. Hierbinnen zijn Maschek en Huang aan de slag gegaan met het ontwikkelen van een element voor warmtepompen op basis van een magnetocalorisch materiaal. Omdat Magneto via het werk van Brück is voortgekomen uit een samenwerkingsverband tussen het chemiebedrijf BASF en TU Delft, kunnen de oprichters voortbouwen op tien jaar aan research van deze twee partijen. Via aandeelhouder Delft Enterprises zijn Maschek en Huang nog altijd betrokken bij de onderzoeksgroep van Brück en werken samen op het gebied van onderzoek, het uitrollen van nieuwe technologieën en het werven van fondsen voor nieuwe projecten.
Maschek: ‘Het materiaal dat wij binnen ons bedrijf ontwikkelden, bevat geen zeldzame metalen die wel vaak in andere materialen voor warmtepompen zijn gebruikt. Zoals gadolinium, een metaal uit de reeks van zeldzame aarden die in de natuur niet voorkomt als vrij element. Ons component omvat daarentegen mangaan, ijzer, fosfor en silicium. Elementen die vooralsnog in overvloed beschikbaar zijn op de aarde. Toch transporteert ons materiaal warmte even efficiënt als materialen die wel zeldzame metalen bevatten. Sterker nog: ons magnetocalorische poeder werkt zelfs in een veel groter temperatuurbereik dan de meeste materialen voor warmtepompen.’
Het uiteindelijke doel van het onderzoek is uiteraard het volledige commerciële en ecologische potentieel van dit innovatieve materiaal te ontsluiten; dit in samenwerking met partners zoals de TU Delft. Twee processen die inmiddels zijn gepatenteerd betreft MCM’s die zijn geoptimaliseerd voor de conversie van afvalwarmte naar vermogen en de productie van geavanceerde vormen met behulp van 3D-technieken.
2. Simuleren van de prestaties van warmtewisselaars.
Testen en valideren
Om de MCM’s ook in de praktijk te kunnen toepassen, heeft Magneto onder andere de prestaties van warmtewisselaars in toepassingen gesimuleerd door middel van thermodynamische modellering. Hiermee is verder inzicht verkregen om producten te optimaliseren en uiteindelijk een prototype te kunnen ontwikkelen van magnetocalorische warmtepompen en thermomagnetische motoren. Optimaliseren voor de beste prestaties onder toepassingsomstandigheden.
Wanneer het principe in de toekomst vertaald is naar een marktconforme warmtepomp, zullen verschillende partijen hiervan profiteren. Als eerste ‘de mensheid’ vanwege het feit dat hier geen giftige of sterke broeikasgassen worden toegepast. De gebruiker heeft een direct voordeel van een compacter en stiller apparaat in vergelijking met conventionele warmtepompen. Het enige geluid zal afkomstig zijn van een roterende magneet en een waterpomp. Daarnaast biedt de MCM-warmtepomp meer ontwerpflexibiliteit omdat het temperatuurbereik is af te stemmen op de materiaaleigenschappen. Maschek: ‘Magnetocalorische warmtepompen verbruiken ook aanzienlijk minder energie in vergelijking met conventionele technieken. De koelefficiëntie met behulp van magnetocalorische materialen kan een theoretische limiet van 60 procent bereiken, vergeleken met 40 procent in gascompressiekoelkasten. Deze hoge efficiëntie is ook vastgesteld bij het eerste product in de magnetocalorische wijnkoeler die is ontwikkeld door BASF, Astronautics, Haier en TU Delft. Hij presteerde op dat moment beter dan alle momenteel beschikbare Peltier-koelers.’
De productie van het MCM-element gebeurt uiteindelijk met een speciale 3D-printer. Daarbij wordt het poedervormige materiaal door middel van SLS (selective laser sintering) gevormd tot een gaasvormige structuur. Deze gaasstructuur wordt vervolgens in een roterende magneet geplaatst terwijl er gelijktijdig water doorheen stroomt. Door het wisselende veld van de magneet in relatie tot de gaasstructuur zal het materiaal opwarmen of afkoelen, waardoor warmte (of koelte) van de ene locatie naar de andere is te pompen.
Het 3D-geprinte magnetocalorisch materiaal.
Toekomst
Op dit moment is Magneto bezig met de ontwikkeling van het eerste prototype warmtepomp op basis van MCM. Hierin komt een kant-en-klaar element dat vervaardigd is via de 3D-print productiemethode. Het moet het begin zijn van een droom om woningen in de toekomst volledig te laten draaien op een magnetocalorische warmtepomp. Geen combinatie van boiler, warmtepomp en airconditioning dus, maar één apparaat om te verwarmen en koelen waarbij het schakelen tussen beide functies bovendien eenvoudig is. Maschek: ‘Voor 2024 en 2025 hebben we tevens een pilotstudie met onze warmtepomp voor een van de grootste supermarktketens van Nederland gepland. Supermarkten hebben veel last van de nieuwe regelgeving voor koelgassen en willen natuurlijk ook hun klanten en personeel niet in gevaar brengen. Omdat het om nieuwe technologie gaat, zullen de aanschafkosten van ons systeem nu nog misschien enkele malen hoger liggen dan die van de huidige installaties. Aan de andere kant verbruikt ons systeem tot 30 procent minder energie en vraagt het minder onderhoud waardoor de TCO uiteindelijk lager zal uitvallen.’ Huang vult aan: ‘We onderzoeken tot slot ook de mogelijkheden van een koelsysteem voor de elektrische voertuigen van online-winkels en transporteurs van producten van de koudeketen. Omdat deze doelgroep 30 procent aan elektriciteitskosten kan besparen, kunnen deze bedrijven met hun bestel- en vrachtwagens 30 procent meer afstand afleggen en aan meer klanten leveren. Kortom: voldoende potentieel om hard te werken aan een succesvolle introductie van het eerste prototype.’
Tekst: ing. M. de Wit – Blok
Fotografie: Magneto