En gruppe forskere på DTU Energi har demonstreret en ny type varmepumpe baseret på materialer der varmer op, når de strækkes. Den nye varmepumpes potentiale for høj effektivitet og lave materialeomkostninger gør den til et lovende alternativ til konventionel kompressorbaseret køling og opvarmning.
En betydelig og voksende del af verdens elektricitetsforbrug går til køleskabe, aircondition og varmepumper. I takt med omstillingen til et mere bæredygtigt energisystem bliver der derfor et øget fokus på energieffektivitet. Teknologien bag varmepumper og køleskabe, hvor en kompressor driver et kølemiddel der skiftevis fortættes og fordampes, er moden og højt optimeret. Men kompressorteknologiens effektivitet har også fundamentale begrænsninger, og de mest brugte kølemidler er drivhusgasser. Derfor forskes der verden over intenst i at finde alternative køleteknologier. DTU Energi har været aktiv på dette felt i mere end ti år, især inden for magnetisk køling.
"Vi er meget glade for den gode ydelse af vores varmepumpe, og vi har endda kun har arbejdet med den elastokaloriske effekt i et par år. Det kunne vi ikke have opnået uden den erfaring vi gennem mange år har opbygget med den relaterede teknologi magnetisk køling."
Professor Nini Pryds
Princippet bag den nye varmepumpe er i virkeligheden meget simpelt. Hvis man strækker en elastik meget hurtigt, bliver den føleligt varmere. Hvis man lader den slappes igen, køler den af. Forklaringen er at de lange molekyler som gummi består af, er tilfældigt krøllet sammen når elastikken ikke er strakt. Efterhånden som den strækkes, bliver gummimolekylerne trukket ud og rettet langs trækretningen. Det betyder at den molekylære uorden er mindsket – i fysik kaldes denne uorden for entropi. Hvis man trækker så hurtigt i elastikken at den ikke når at udveksle energi med den omgivende luft, vil elastikkens samlede entropi ikke ændre sig. Det betyder at den formindskede uorden i molekylernes orientering vil blive ledsaget af en lige så stor forøgelse af molekylernes tilfældige varmebevægelse, dvs. elastikkens temperatur øges. Denne såkaldte elastokaloriske effekt er reversibel: Når elastikken slippes, vil molekylerne krølle sig sammen igen og temperaturen mindskes. Den kendsgerning at effekten er reversibel, gør det muligt at bruge den til en køle- eller varmecyklus med høj effektivitet.
I stedet for gummi bruger forskerne en særlig legering af nikkel og titan. Den har den egenskab at man ved at trække i den kan få legeringen til at transformere reversibelt mellem to forskellige konfigurationer af dens atomgitter. Denne omdannelse er ledsaget af en lignende transformeringsentropi som når gummi strækkes. Tynde plader af legeringen blev lasersvejst sammen og fastgjort til en mekanisk aktuator der skiftevis kan trække og udløse pladerne. For at transportere varmen ud af materialet, strømmer der vand frem og tilbage inden i stakken af plader. Med en snedigt designet rørføring kan forskerne få vandet til altid at strømme den samme vej i rørene uden for stakken, selv om strømningen skifter retning indeni. Den skiftende strømning er timet i forhold til trækket i pladerne på en måde så der opbygges en temperaturforskel mellem den øvre og den nedre udgang. Det er første gang at dette såkaldte regenerative princip har været brugt til elastokaloriske materialer. Princippet tillader at have en betydelig temperaturforskel samtidig med at man opnår høj effektivitet af enheden.
De indledende resultater tyder ifølge forskerne godt: En maksimal temperaturforskel på 15,3 °C med en specifik varmeeffekt på 800 watt per kg af det aktive materiale og med en virkningsgrad på 3,5. Virkningsgraden angiver hvor meget varme enheden leverer i forhold til den mængde arbejde der tilføres. Forskerholdet kunne endda opnå endnu højere virkningsgrader på op til 7 med forskellige driftsbetingelser. En sådan ydelse gør det realistisk at anvende den elastokaloriske effekt til varmepumper og køling.
Enheden er blevet bygget som en første demonstration af potentialet for regenerative elastokaloriske varmepumper. Der har endnu ikke været nogen systematisk optimering af designet, hvilket betyder at forskerne stadig kan se masser af muligheder for forbedringer. I særdeleshed peger de på behovet for at drive to elastokaloriske stakke i tandem for at udnytte det tilførte mekaniske arbejde bedst muligt. Forskerne planlægger også at undersøge mere avancerede stakgeometrier og materialer.