Onderzoekers van de School of Engineering van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) kunnen de wereld van warmtepomptechnologie op hun kop zetten. Ze hebben een nieuwe elastische legering ontwikkeld met de naam Ti₇₈Nb₂₂. Het bereikt een opmerkelijke efficiëntie voor warmtepompen in vaste toestand. Daarnaast vertoont het een omkeerbare temperatuurverandering (ΔT) die 20 keer groter is dan die van conventionele metalen wanneer deze worden uitgerekt of samengedrukt. Volgens de onderzoekers biedt het een veelbelovend groen alternatief voor traditionele dampcompressie verwarming- en koeltechnologieën.
Bijna de helft van alle energie ter wereld wordt verbruikt voor verwarming, waaronder stadsverwarming in de bouwsector en procesverwarming in verschillende industriële sectoren. Momenteel wordt aan de wereldwijde vraag naar warmte voornamelijk voldaan door het verbranden van fossiele brandstoffen, die een grote hoeveelheid broeikasgassen produceren en veel energie verbruiken. Het gebruik van warmtepompen op basis van vaste faseovergangen is een milieuvriendelijkere aanpak, maar hun energie-efficiëntie blijft slechts 50-70% van de Carnot-limiet. [Het carnotproces is een thermodynamisch kringproces waarbij alle warmte wordt toegevoerd bij een hoge temperatuur en wordt afgevoerd bij een lage temperatuur.] Het bereiken van efficiëntere en milieuvriendelijkere warmtepompen blijft een wereldwijde uitdaging, en vraagt een andere benadering van warmtepomptechnologie.
Nieuwe warmtepomptechnologie
Om deze uitdaging aan te gaan, heeft het onderzoeksteam van Prof. SUN Qingping van het Department of Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) een nieuwe warmtepompbenadering voorgesteld die gebruik maakt van warmte die wordt gegenereerd door elastische vervorming, bekend als het thermo-elastische effect (TeE).
Thermo-elastisch effect
Hoewel TeE in de 19e eeuw werd ontdekt door de wetenschappers Kelvin, Joule en Duhamel, werd het lange tijd als te zwak beschouwd voor praktische toepassingen. Het team van prof. Sun brengt hier verandering in. Het maakte een nieuwe elastische legering (Ti₇₈Nb₂₂ martensitische polykristal) die wanneer het wordt onderworpen aan lineaire elastische vervorming voor warmteoverdracht, een omkeerbare temperatuurverandering (ΔT) vertoont die 20 keer groter is (4 – 5 K) dan conventionele metalen, die meestal slechts ongeveer 0,2 K veranderen. Opmerkelijk is dat deze legering ongeveer 90% van de Carnot-efficiëntiegrens bereikt in een warmtepompcyclus, waardoor het zeer concurrerend is met koelmiddelen die worden gebruikt in commerciële dampcompressiewarmtepompen.
Deze ontdekking verandert de al lang bestaande perceptie dat het thermo-elastische effect te zwak is om nuttig te zijn. Ons onderzoek toont aan dat lineaire elastische vervorming alleen kan worden gebruikt voor zeer energie-efficiënte warmtepompen.Prof. SUN Qingping van de afdeling Mechanical and Aerospace Engineering (MAE) van de School of Engineering van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)
Elastische legeringen
Bovendien geeft het onderzoek van het team aan dat bepaalde ferro-elastische legeringen ontwikkeld zouden kunnen worden met een nog hogere thermische uitzetting. Daardoor zouden temperatuurveranderingen tot 22 K bereikt kunnen worden. Dit werk biedt een veelbelovende kans voor groene warmtepomptechnologie en presenteert de eerste niet-faseovergang gebaseerde oplossing voor milieuvriendelijke, hoogrendabele warmtelevering.
Zeer efficiënte warmtepompen
Prof. Sun zei: “Deze ontdekking verandert de al lang bestaande perceptie dat het thermo-elastische effect te zwak is om nuttig te zijn. Ons onderzoek toont aan dat lineaire elastische vervorming alleen al kan worden gebruikt voor zeer energie-efficiënte warmtepompen.” Dr. LI Qiao, de eerste auteur van dit onderzoek en Research Assistant Professor van dezelfde afdeling, voegde hieraan toe: “Nu de wereldwijde inspanningen om de koolstofuitstoot te verminderen toenemen, biedt deze technologie een oplossing voor het vervangen van verwarming op basis van fossiele brandstoffen. We ontwikkelen momenteel prototypes van warmtepompen die gebruik maken van de legering voor industriële toepassingen.”
Onderzoek rond elastische legering en warmtepomptechnologie
Het onderzoek over de elastische legering in combinatie met warmtepomptechnologie is onlangs gepubliceerd in Nature Communications, in een artikel met de titel “Large Thermoelastic Effect in Martensitic Phase of Ferroelastic Alloys for High Efficiency Heat Pumping”. Het onderzoek werd ondersteund door de Hong Kong Research Grants Council (RGC) via Strategic Topics Grant (STG) en General Research Fund (GRF). Voor verwante technologieën zijn meerdere internationale patenten aangevraagd.
Bron: The Hong Kong University of Science and Technology
Lees ook: Evonik en VoltH2 bouwen 50 MW elektrolyzer in Delfzijl
Openingsfoto: Prof. SUN Qingping (links) en onderzoeksassistent prof. LI Qiao (rechts), beiden van de afdeling Mechanical and Aerospace Engineering van HKUST, demonstreren hun nieuw ontwikkelde Ti₇₈Nb₂ elastische legering. Het kan een doorbraak betekenen in warmtepomptechnologie. (foto: HKUST)
