Pompa ciepła bez sprężarki i czynnika chłodniczego. Czy ta technologia zmieni rynek grzewczy?

• Qurie pracuje nad systemem opartym na materiałach elektrokalorycznych. Taki materiał nagrzewa się i ochładza pod wpływem pola elektrycznego.
• Największą zaletą technologii może być rezygnacja z klasycznych czynników chłodniczych. To ważne, bo część z nich jest stopniowo wycofywana albo ma ograniczenia techniczne.
• Na razie nie jest to gotowa pompa ciepła do domu. Pierwsze zastosowania firma widzi raczej w chłodzeniu szaf sterowniczych, laserów i innych specjalistycznych urządzeń.

Pompa ciepła bez klasycznej sprężarki, bez typowego czynnika chłodniczego i bez mechanicznego obiegu znanego z dzisiejszych urządzeń? Nad takim rozwiązaniem pracuje Qurie GmbH, startup z Fryburga i spin-off Instytutu Fraunhofera IPM. Firma rozwija półprzewodnikowy system chłodzenia i ogrzewania oparty na materiałach elektrokalorycznych. Brzmi laboratoryjnie, ale cel jest bardzo praktyczny: cichsze, prostsze i potencjalnie bardziej efektywne urządzenia grzewczo-chłodnicze.

Dzisiejsze pompy ciepła działają głównie w oparciu o sprężanie i rozprężanie czynnika chłodniczego. Qurie chce zastąpić ten układ materiałem, który zmienia temperaturę pod wpływem pola elektrycznego. Gdy pole zostaje przyłożone, wewnętrzne dipole w materiale porządkują się, a materiał się nagrzewa. Po wyłączeniu pola wraca do bardziej nieuporządkowanego stanu i się ochładza. Ten efekt można wykorzystać do budowy cyklu cieplnego bez klasycznej sprężarki.

Wiele imion technologii pomp ciepła 

Qurie nie jest przy tym odosobnionym przypadkiem. Nad alternatywnymi pompami ciepła i układami chłodzenia bez klasycznej sprężarki pracują dziś równolegle różne zespoły badawcze i firmy technologiczne. Rozwijane są m.in. rozwiązania elektrokaloryczne, magnetokaloryczne, elastokaloryczne czy termoelektryczne. Ich zastosowanie pozostaje jednak nadal ograniczone.

Dlaczego to może być ważne?

Największą obietnicą tej technologii jest rezygnacja z konwencjonalnych czynników chłodniczych. To ważne, bo wiele dotychczasowych substancji było lub będzie wycofywanych ze względu na wpływ na klimat albo wcześniejsze problemy związane z warstwą ozonową. Naturalne czynniki chłodnicze, takie jak propan czy CO₂, są coraz popularniejsze, ale też mają ograniczenia: jedne są palne, inne wymagają wysokich ciśnień roboczych.

Qurie twierdzi, że systemy kaloryczne mogą teoretycznie osiągać wyższą sprawność niż konwencjonalne układy sprężarkowe. W materiałach firmy i publikacjach branżowych pojawiają się szacunki mówiące o ponad 70-80% teoretycznej sprawności wobec około 50% dla klasycznych układów sprężania pary. Firma wskazuje też możliwość ograniczenia zużycia energii nawet o około 30%, choć na razie mówimy o technologii rozwijanej, a nie gotowej domowej pompie ciepła dostępnej w sklepie.

Klucz, czyli szybka wymiana ciepła

Samo zjawisko elektrokaloryczne nie wystarczy. Najtrudniejszym elementem jest szybkie odebranie i przekazanie ciepła z materiału. Qurie rozwija w tym celu koncepcję aktywnych elektrokalorycznych rur cieplnych. Zamiast powolnego przepływu cieczy wokół materiału wykorzystywane są procesy parowania i kondensacji czynnika roboczego, np. wody albo alkoholu. Dzięki temu system ma pracować szybciej niż typowe układy kaloryczne.

Według pv magazine firma demonstrowała pracę z częstotliwością do 20 Hz, czyli 20 cyklami na sekundę. Obecny etap to jednak nadal prototypy. Czterostopniowa kaskada miała pokazać moc chłodzenia 2 W przy różnicy temperatur 2°C, a kolejny prototyp ma obejmować około 20 segmentów, pracować przy różnicy 20°C i osiągać około 100 W mocy chłodzenia.

• Zobacz również: Taryfy dynamiczne czy specjalna taryfa? Eksperci komentują, co byłoby lepsze dla pomp ciepła

Najpierw przemysł, później domy

Pierwsze zastosowania Qurie widzi nie w domowych pompach ciepła, ale w chłodzeniu szaf sterowniczych, fotoniki i laserów. To nisze, gdzie klasyczne czynniki chłodnicze bywają problematyczne, a elementy Peltiera są mało efektywne. Dopiero później technologia mogłaby trafić do mniejszych systemów grzewczych i chłodniczych, zwłaszcza poniżej 10 kW.

Startup pozyskał 2,2 mln euro finansowania od High-Tech Gründerfonds, TT49 i Aepikur GmbH. To pieniądze na rozwój, nie dowód rynkowego sukcesu. Na razie Qurie pokazuje ciekawy kierunek: pompy ciepła mogą w przyszłości wyglądać zupełnie inaczej niż dziś. Bez sprężarki, bez klasycznego czynnika chłodniczego i z dużo mniejszą liczbą elementów mechanicznych. Pytanie brzmi, czy laboratorium uda się zamienić w skalowalny produkt.

Źródła: pv magazine, Fraunhofer IPM, Qurie GmbH, High-Tech Gründerfonds.