Onderzoekers rond Junning Li van het instituut voor wetenschap en technologie in Belvaux/Bielse (Lux) hebben een warmtepomp ontwikkeld die niet via de gebruikelijke dampcompressietechniek van koelkasten en andere warmtepompen werkt maar waarbij de faseovergang wordt bewerkstelligd door verandering van een elektrisch veld. Dit type warmtepomp zou met een rendement van 64% veel energiezuiniger zijn dan de meeste warmtepompen die op de markt zijn. Die komen niet verder dan 50%, vaak veel lager. Toch blijkt het systeem nog niet direct geschikt voor marktintroductie.
Eenvijfde van de stroomproductie momenteel zou gebruikt worden voor koeling. Volgens het internationale energieagentschap (IEA) zal het aantal luchtbehandelingsystemen (binnenklimaatsystemen) in 2040 zijn verdubbeld. Vastestofwarmtepompen gelden als een milieuvriendelijker alternatief voor de heden nog overheersende dampcompressiesystemen voor koeling en verwarming. Voordeel van deze techniek is dat daarbij geen milieuschadelijke koelmiddelen nodig zijn en ook geen compressiepomp.
Deze vastestofwarmtepompen ‘draaien’ op elektrocalorische materialen. Calorisch materialen zijn bepaalde metaalverbindingen die in een veranderend elektrisch of magnetisch veld door mechanische vervorming hun temperatuur veranderen.
Tot nu toe waren echter geen vastestofwarmtepompen die konden concurreren met de dampcompressiesystemen. Die kwamen niet verder dan een temperatuurverschil van 13 K en koelvermogen van 0,26 W. Deze vastestofwarmtepompen hebben een temperatuurbereik van 20,9 graden Kelvin en een koelvermogen van 4,2 W in een elektrisch veld van 10 Volt/µm.
Als elektrocalorisch materiaal gebruikten de onderzoekers een poreuze verbinding van lood, scandium en tantaal. Als daar stroom doorheen loopt wordt dat warmer. Stop je die, dan koelt dat weer af. In de proeven bleef het materiaal ook na vele cycli stabiel functioneren. Om een warmtepomp te krijgen bouwden de onderzoekers elementen van dat materiaal tussen twee vloeistofkringlopen, waarvan de een opgewarmd wordt en de ander afgekoeld.

Nog werk te doen

In een commentaar op het onderzoek stelt Jaka Tušek van de universiteit van Ljubjana (Slov) dat er nog wel extra onderzoek nodig is om het koelvermogen nog verder te verhogen en ook om warmtepompen op maat te maken. Zo zouden minivastestofwarmtepompen gebruikt kunnen worden voor koeling in elektronische apparatuur (beter zou natuurlijk zijn het warmteverlies van elektronische systemen te verminderen).

Volgen Tušek heeft het systeem van Li en de zijnen dat in zich, alhoewel de prestaties nog ver verwijderd zijn van veel praktische toepassingen van honderden Watts en temperatuursverschillen van meer dan 20 graden Kelvin. Overigens lijkt het mij ook niet onhandig om te kijken naar de beschikbaarheid van de gebruikte materialen: lood, scandium en tantaal.

Bron: bdw