Перспективы сверхвысокотемпературных тепловых насосов

Аккумулятор FIAMM FG 21202

Международная исследовательская группа изучила новые твердотельные и газовые тепловые насосы, способные нагревать до температуры до 1600 К, и оценила связанные с ними проблемы, области применения, масштабируемость и уровень готовности технологий. По мнению исследователей, эти системы могут превзойти традиционные технологии высокотемпературного нагрева, достигнув коэффициента полезного действия выше 1.

Схема сверхвысокотемпературного электрокалорического теплового насоса

Международная исследовательская группа под руководством Университета Любляны в Словении провела обзор новых технологий сверхвысокотемпературных тепловых насосов на основе твердых веществ или газов.

Все эти технологии, которые потенциально позволяют достичь температуры до 1600 К (1326,85 °C), были оценены с точки зрения их текущего состояния. Описывая проблемы, с которыми они сталкиваются, команда рассказала о возможных решениях, сферах применения, масштабируемости и уровне технологической готовности (TRL), а также представила план дальнейших разработок.

«Главное преимущество этих технологий — возможность работать при высоких температурах, на что способны далеко не все тепловые насосы, — сказала Катя Клинар, соавтор статьи, в интервью. — При температуре около 1200 К традиционные тепловые насосы обычно заменяются прямым сжиганием топлива или электронагревом, коэффициент полезного действия (КПД) которых равен 1. В отличие от них, новые технологии могут иметь КПД выше 1, что делает их более энергоэффективными». Это было доказано с помощью численного моделирования.

По словам Клинар, «в настоящее время на рынке нет высокотемпературных твердотельных тепловых насосов и тепловых насосов с газовым циклом. Хотя твердотельные тепловые насосы и тепловые насосы с газовым циклом, работающие при комнатной температуре, еще не представлены на рынке, они находятся на стадии разработки прототипов». Она подчеркнула, что любая из этих новых технологий, требующих электроэнергии, может получать ее из возобновляемых источников, таких как солнечная и ветровая энергия.

«Наша команда была первой, кто заявил, что твердотельные электрокалорические тепловые насосы можно использовать при высоких температурах — до нас никто не описывал эту идею в научных статьях, — добавил Клинар. — Мы провели моделирование и теперь приступим к разработке прототипа. По нашим оценкам, уровень готовности технологии (TRL) электрокалорических тепловых насосов составляет 2,5».

TRL измеряет зрелость технологических компонентов системы и основывается на шкале от одного до девяти, причем девять представляют зрелые технологии для полноценного коммерческого применения.

Электрокалорические тепловые насосы относятся к классу калорических тепловых насосов. Эти системы переносят тепло, используя обратимые тепловые эффекты в твердых материалах при воздействии внешнего поля и его снятии. В зависимости от типа поля они классифицируются как электрокалорические (электрическое поле), магнитокалорические (магнитное поле) или механокалорические (механическое напряжение). Термоэлектрические тепловые насосы также относятся к категории твердотельных систем, в которых электрический ток используется для перекачки тепла через полупроводниковые переходы.

В отличие от обычных тепловых насосов, в которых используется парокомпрессионный цикл, в твердотельных системах применяются изменения энтропии в твердых материалах. «Высокотемпературные твердотельные тепловые насосы имеют ряд преимуществ, поскольку в них используются твердые хладагенты, которые исключают риск утечек и могут быть переработаны, — заявили исследователи. — Такие технологии, как магнитокалорические, электрокалорические и термоэлектрические (на основе эффекта Пельтье) тепловые насосы, могут работать без движущихся частей».

Исследователи также оценили газовые тепловые насосы для высокотемпературных применений. В таких системах в качестве рабочего тела используется газ. Среди рассмотренных технологий — термоакустические тепловые насосы, в которых для сжатия и расширения газа используются звуковые волны, что позволяет создавать зоны с высокой и низкой температурой; механические тепловые насосы Стирлинга, в которых для сжатия и расширения газа используются поршни, работающие по циклу Стирлинга; и реверсивные тепловые насосы Брайтона, в которых для циркуляции газа и передачи тепла используются компрессоры.

Основываясь на качественной оценке производительности устройств и уровня развития технологий, авторы присвоили каждой концепции уровень технологической готовности (Technology Readiness Level, TRL). Механокалорический тепловой насос получил оценку TRL 2, что в соответствии с рекомендациями ЕС означает «сформулированная технологическая концепция». Магнитокалорические и электрокалорические системы получили оценку TRL 2,5, то есть между TRL 2 и TRL 3. Термоэлектрические и термоакустические системы получили оценку TRL 4, что означает «технология, проверенная в лабораторных условиях». Механическим тепловым насосам Стирлинга и обратным тепловым насосам Брайтона был присвоен уровень TRL 6, то есть «технология, продемонстрированная в соответствующих условиях».

Исследователи также предложили дорожную карту развития до 2040 года. По их расчетам, при реализации проекта удельная мощность на единицу массы достигнет 15–20 Вт/кг для магнитокалорических систем, 15–20 Вт/кг для механокалорических, 100–150 Вт/кг для электрокалорических, 400–500 Вт/кг для термоэлектрических, 200 Вт/кг для термоакустических, 300 Вт/кг для механических тепловых насосов Стирлинга и 150 Вт/кг для реверсивных тепловых насосов Брайтона. Для сравнения: текущая удельная мощность составляет 3 Вт/кг, 1,5 Вт/кг, 30 Вт/кг, 300 Вт/кг, 75 Вт/кг, 60–100 Вт/кг и 45 Вт/кг соответственно.

Согласно той же дорожной карте, прогнозируемый коэффициент полезного действия систем второго закона к 2040 году составит 60 % для магнитокалорических, механокалорических и электрокалорических систем; 20 % для термоэлектрических систем; более 60 % для термоакустических и механических систем Стирлинга; и более 40 % для реверсивных тепловых насосов Брайтона. В настоящее время коэффициент полезного действия составляет 30 %, 30 %, 55 %, 5–20 %, 55 %, 55 % и 33 % соответственно.

Ожидается, что параллельно с этим значительно увеличится максимальная выходная мощность на уровне устройств. Текущие значения 15 кВт (магнитокалорический), 1,5 кВт (механокалорический), 0,01 кВт (электрокалорический), 10 кВт (термоэлектрический), 500-1000 кВт (термоакустический), 500-1000 кВт (механический Стирлинг) и приблизительно 200 кВт (обратный Брайтон), по прогнозам, возрастут до диапазонов применения 0,5–50 кВт, 1-50 кВт, 0,1–10 кВт, 0,1–100 кВт, 50-1000 кВт, 50-1000 кВт и 100-1000 кВт, соответственно, к 2040 году.

Результаты исследования были представлены в статье «Новые возможности высокотемпературных твердотельных тепловых насосов и тепловых насосов с газовым циклом», опубликованной в Nature Energy. В исследовании приняли участие ученые из Университета Любляны в Словении, Китайской академии наук в Китае, Национального исследовательского совета (CSIC) в Испании, Университета Твенте в Нидерландах, Загребского университета в Хорватии и Кембриджского университета в Великобритании.