Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτά τα συστήματα θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τις συμβατικές τεχνολογίες θέρμανσης υψηλής θερμοκρασίας, επιτυγχάνοντας συντελεστές απόδοσης άνω του 1
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Λιουμπλιάνα της Σλοβενίας, διεξήγαγε μια ανασκόπηση των αναδυόμενων τεχνολογιών αντλιών θερμότητας εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας που βασίζονται σε στερεά ή αέρια.
Όλες αυτές οι τεχνολογίες, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να φτάσουν σε θερμοκρασίες έως και 1.600 K (1.326,85 C), αξιολογήθηκαν στην τρέχουσα κατάστασή τους.
Τα ευρήματα της έρευνας παρουσιάστηκαν στο άρθρο «Αναδυόμενες ευκαιρίες για αντλίες θερμότητας στερεάς κατάστασης και αερίου κύκλου υψηλής θερμοκρασίας», που δημοσιεύτηκε στο Nature Energy.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Λιουμπλιάνα στη Σλοβενία, την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών της Κίνας, το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας (CSIC) της Ισπανίας, το Πανεπιστήμιο του Τβέντε στην Ολλανδία, το Πανεπιστήμιο του Ζάγκρεμπ στην Κροατία και το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο συμμετείχαν στη μελέτη.
Βυθιζόμενη στις προκλήσεις τους, η ομάδα περιέγραψε πιθανές λύσεις, εφαρμογές, επεκτασιμότητα και επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας (TRL) και παρουσίασε περαιτέρω έναν οδικό χάρτη για μελλοντική ανάπτυξη.
«Το κύριο πλεονέκτημα αυτών των τεχνολογιών είναι η ικανότητά τους να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, κάτι που δεν μπορούν να κάνουν πολλές αντλίες θερμότητας», δήλωσε στο pv-magazine.com η Katja Klinar η οποία συνυπέγραψε το άρθρο.
Σύμφωνα με την Klinar, «προς το παρόν, δεν υπάρχουν αντλίες θερμότητας στερεάς κατάστασης και αερίου κύκλου υψηλής θερμοκρασίας στην αγορά. Παρόλο που οι αντλίες θερμότητας στερεάς κατάστασης και αερίου κύκλου σε θερμοκρασία δωματίου δεν είναι ακόμη στην αγορά, βρίσκονται στο στάδιο του πρωτοτύπου.
Οποιαδήποτε από αυτές τις νέες τεχνολογίες που απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να την προμηθευτεί από ανανεώσιμες πηγές, όπως τα φωτοβολταϊκά και η αιολική ενέργεια.
«Η ομάδα μας ήταν η πρώτη που ισχυρίστηκε ότι οι ηλεκτροθερμικές αντλίες θερμότητας στερεάς κατάστασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υψηλές θερμοκρασίες.
Κάναμε κάποιες προσομοιώσεις και τώρα θα ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό του πρωτοτύπου. Εκτιμούμε το επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας (TRL) των ηλεκτροθερμικών αντλιών θερμότητας στο 2,5», πρόσθεσε η Klinar.
Τι μετρά το TRL
Το TRL μετρά την ωριμότητα των τεχνολογικών εξαρτημάτων για ένα σύστημα και βασίζεται σε μια κλίμακα από το 1 έως το 9, με το 9 να αντιπροσωπεύει ώριμες τεχνολογίες για πλήρη εμπορική εφαρμογή.
Οι ηλεκτροθερμικές αντλίες θερμότητας είναι ένα υποσύνολο των θερμικών αντλιών θερμότητας. Αυτά τα συστήματα μεταφέρουν θερμότητα αξιοποιώντας αναστρέψιμες θερμικές επιδράσεις σε στερεά υλικά όταν εφαρμόζεται και αφαιρείται ένα εξωτερικό πεδίο.
Ανάλογα με τον τύπο του πεδίου, ταξινομούνται ως ηλεκτροθερμικές (ηλεκτρικό πεδίο), μαγνητοθερμικές (μαγνητικό πεδίο) ή μηχανοθερμικές (μηχανική καταπόνηση).
Θερμοηλεκτρικές αντλίες θερμότητας σε σχέση με τις συμβατικές
Οι θερμοηλεκτρικές αντλίες θερμότητας ανήκουν επίσης στην κατηγορία στερεάς κατάστασης, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα για την άντληση θερμότητας μέσω των ημιαγωγικών συνδέσεων.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές αντλίες θερμότητας οι οποίες βασίζονται σε κύκλους συμπίεσης ατμών, τα συστήματα στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν αλλαγές εντροπίας σε στερεά υλικά.
«Η άντληση θερμότητας στερεάς κατάστασης υψηλής θερμοκρασίας προσφέρει πλεονεκτήματα λόγω της χρήσης στερεών ψυκτικών μέσων, τα οποία εξαλείφουν τους κινδύνους διαρροής και έχουν δυνατότητα ανακύκλωσης», ανέφερε η ερευνητική ομάδα.
Τι περιλαμβάνουν οι τεχνολογίες που αξιολογήθηκαν
Οι ερευνητές αξιολόγησαν επίσης αντλίες θερμότητας κύκλου αερίου για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν ένα αέριο ως εργαζόμενο ρευστό.
Οι τεχνολογίες που αξιολογήθηκαν περιλαμβάνουν:
1) θερμοακουστικές αντλίες θερμότητας, οι οποίες χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα για τη συμπίεση και την επέκταση αερίου και έτσι δημιουργούν θερμές και ψυχρές περιοχές.
2) μηχανικές αντλίες θερμότητας Stirling οι οποίες χρησιμοποιούν έμβολα για τη συμπίεση και την επέκταση αερίου σε κύκλο Stirling.
3) αντίστροφες αντλίες θερμότητας Brayton οι οποίες χρησιμοποιούν συμπιεστές για την κυκλοφορία αερίου και τη μεταφορά θερμότητας.
Βαθμολογίες αντλιών
Η μηχανοθερμιδική αντλία θερμότητας έλαβε βαθμολογία TRL 2, η οποία ορίζεται σύμφωνα με τις οδηγίες της ΕΕ ως «διατυπωμένη τεχνολογική ιδέα».
Τα μαγνητοθερμιδικά και ηλεκτροθερμιδικά συστήματα βαθμολογήθηκαν το καθένα με TRL 2,5, μεταξύ TRL 2 και TRL 3.
Τα θερμοηλεκτρικά και θερμοακουστικά συστήματα πέτυχαν TRL 4, που σημαίνει «τεχνολογία επικυρωμένη σε εργαστήριο».
Οι μηχανικές αντλίες θερμότητας Stirling και οι αντίστροφες αντλίες θερμότητας Brayton έλαβαν TRL 6 ή «τεχνολογία που έχει αποδειχθεί σε σχετικό περιβάλλον».
Προτεινόμενος οδικός χάρτης ανάπτυξης έως το 2040
Οι ερευνητές πρότειναν επίσης έναν οδικό χάρτη ανάπτυξης έως το 2040.
Εάν εφαρμοστεί, αναμένουν ότι η πυκνότητα ισχύος ανά μονάδα μάζας θα φτάσει τα 15-20 W/kg για μαγνητοθερμιδικά συστήματα, 15-20 W/kg για μηχανοθερμιδικά, 100-150 W/kg για ηλεκτροθερμιδικά, 400-500 W/kg για θερμοηλεκτρικά, 200 W/kg για θερμοακουστικά, 300 W/kg για μηχανικά Stirling και 150 W/kg για αντίστροφες αντλίες θερμότητας Brayton. Αυτές οι προβλέψεις συγκρίνονται με τις τρέχουσες πυκνότητες ισχύος 3 W/kg, 1,5 W/kg, 30 W/kg, 300 W/kg, 75 W/kg, 60–100 W/kg και 45 W/kg, αντίστοιχα.
Σύμφωνα με τον ίδιο οδικό χάρτη, οι προβλεπόμενες αποδόσεις του δεύτερου νόμου έως το 2040 είναι 60% για μαγνητοθερμιδικά, μηχανοθερμιδικά και ηλεκτροθερμιδικά συστήματα, 20% για θερμοηλεκτρικά, πάνω από 60% για θερμοακουστικές και μηχανικές αντλίες θερμότητας Stirling και πάνω από 40% για αντίστροφες αντλίες θερμότητας Brayton. Οι τρέχουσες αποδόσεις ανέρχονται σε 30%, 30%, 55%, 5–20%, 55%, 55% και 33%, αντίστοιχα.
Χρήστος Παπαθεοφάνους
www.worldenergynews.gr
