O echipă de ingineri germani a creat o nouă tehnologie de climatizare ce înlocuieşte aerul condiţionat şi pompele de căldură, fără a folosi refrigerant

Civilizaţia umană şi-a sporit esenţial confortul de când a fost inventat aerul condiţionat, iar apoi şi tehnologia ce foloseşte un sistem invers, pompele de căldură. Principiul de funcţionare a acestuia se bazează pe calităţile termodinamice ale refrigeranţilor, care sunt mişcaţi pe un circuit închis şi suferă transformări de stare, de la lichid la gazos. La o pompă de căldură, agentul de refrigerare e transformat în gaz în schimbătoarele de căldură exterioare, care captează sursa primară de căldură, de obicei prin ventilatoare, iar apoi un compresor măreşte presiunea acelui gaz şi astfel de generează căldură. Această căldură e transmisă mediului final, iar o valvă de expansiune reduce drastic presiunea şi acel refrigerant devine din nou lichid, fiind gata de un nou ciclu. La un aparat de aer condiţionat circuitul e aproximativ inversat, valva de expansiune fiind locul unde se pierde presiunea brusc şi astfel lichidul se răceşte brusc, absorbind cu schimbătorul de căldură de alături căldura din jurul său şi lăsând aerul rece. Acum, însă, o echipă de ingineri de la Universitatea din Saarland a creat o nouă tehnologie de climatizare ce înlocuieşte aceste sisteme şi nu mai are nevoie de refrigerant. Noua tehnologie poate fi folosită la climatizarea imobilelor, dar şi la automobile, inclusiv la managementul termic al bateriei.

Foto: Principiul de funcţionare a unei pompe de căldură aer-apă obişnuite, răspândită în prezent

Primele informaţii despre această tehnologie au fost prezentate de echipa de la universitate anul trecut, iar atunci şi până astăzi ei au primit deja finanţări de zeci de milioane de euro pentru câteva proiecte de aplicare a noii tehnologii, ea fiind desemnată în 2024 drept una din cele mai promiţătoare din Germania. Până şi VW finanţează un proiect al echipei, în vederea folosirii tehnologiei lor pe maşinile electrice.

Echipa de ingineri e condusă de profesorii Stefan Seelecke şi Paul Motzki, iar lor li s-au alăturat doctoranzii Lukas Ehl şi Ivan Trofimenko (prezenţi în imaginea de mai sus). În ce constă, deci, noua tehnologie şi cum funcţionează ea?

Foto. Paul Motzki, unul din conducătorii echipei

Conform fizicii, recele înseamnă absenţa căldurii. Ca să răceşti ceva, trebuie să extragi căldura. Ca să încălzeşti, trebuie să adaugi căldură. O idee relativ elementară, de la care a pornit invenţia germanilor în căutarea celei mai eficiente soluţii de a extrage căldura sau de a o adăuga.

Şi ei au ajuns la principiile efectului elastocaloric, care spune că materialele îşi schimbă temperatura lor ca răspuns la stresul mecanic aplicat loc, de tensionare sau comprimare. Unele materiale îşi schimbă mai mult materialele ca altele, dar pentru a putea crea un sistem care să funcţioneze e nevoie de materiale care să revină de fiecare dată la starea lor iniţială, deci elastice şi cu „memorie”, adică să revină la starea fizică de lungime şi temperatură iniţială.

Cel mai bun material pentru acest rol a fost identificat drept aliajul de nichel şi titan, numit şi nitinol. Acest aliaj are o structură cristalină, care îi dau efectele dorite de schimbare majoră în temperatură şi totodată de revenire la forma iniţială.

Din acest aliaj, pot fi create fire lungi sau folii, în funcţie de specificul dorit. Firul este tensionat apoi mecanic, printr-un electromotor, spre exemplu. Pe perioada tensionării sale, aliajul absoarbe căldura din jurul său şi răceşte aerul din acel mediu. Apoi, acel fir este detensionat şi el eliberează căldură în jurul său. Exact aceste cicluri de absorbţie a căldurii şi eliberare a ei există şi în sistemele actuale de climatizare şi pompe de căldură, doar că noul sistem nu are nevoie de agent de refrigerare şi compesor, pentru că foloseşte în schimb forţa mecanică a tensionării nitinolului, iar nitinolul devine şi agentul refrigerant, într-o formă mecanică.

Desigur, marea întrebarea e cum se prea căldura sau frigul în aceste etaje ale ciclului. Teoretic, camera de captare poate fi şi una singură, dar captarea ar fi ciclică — sore exemplu, dacă se doreşte doar recele, s-ar produce captarea dor în fazele de tensionare, după care în fazele de detensionare, când se eliberează căldură, acea căldură ar fi evacuată afară, spre exemplu. Doar că acest principiul nu e cel mai eficient, întrucât rămâne căldură reziduală sau rece şi randamentul e mai mic.

De asta, e mai indicat să existe două camere separate, una unde are rol tensionarea şi alta unde are loc detensionarea, iar firele sau foliile ar circula dintr-o parte din alta. Ne putem imagina o casetă audio cu bandă magnetică, separată în două, dar tot ajutată de mici rotiţe care îi garantează tensionarea corectă ori într-o jumătate, ori în cealaltă. Motoarele mută rola dintr-o cameră în cealaltă, tensionând-o în una din camere şi detensionând-o în cealaltă. Iar preluarea de mediu termic se face fie dintr-o cameră, fie din cealaltă, în funcţie de regimul de funcţionare dorit — generare de căldură, sau de aer condiţionat.

Germanii spun că această tehnologie poate asigura o diferenţă de temperatură de 20 grade Celsius între mediul primar şi cel final. Deci, dacă afară ar fi 0 grade, mediul final ar avea 20 grade Celsius, şi invers, dacă afară sunt +40 grade, se pot asigura +20 grade în mediul final. În condiţii de iarnă poate fi nevoie de o diferenţă mai mare, iar tehnologia prevede şi stratificarea, în care mediul final al primului modul devine mediul iniţial al celui de-al doilea şi astfel de poate obţine şi o diferenţă de până la 40 grade Celsius.

Într-un regim de operare cu un singur nivel, tehnologia ar fi chiar mai eficientă decât la o pompă de căldură, ajungând la un coeficient de performanţă cuprins între 5,0-6,0, faţă de 3,0-5,5, cât au pompele de căldură de obicei, iar la răcire sistemul poate fi şi de 5 ori mai eficient în consum decât un sistem clasic de aer condiţionat.

Sistemul poate fi ultra eficient şi la frigidere, şi la maşini electrice, de la încălzirea habitaclului la gestionarea bateriei, dar şi la sistemele de încălzire şi răcire a caselor şi clădirilor mari. Acesta funcţionează mult mai silenţios întrucât nu are un compresor care să producă zgomot de fundal. Şi nu are refrigeranţi ce ar avea riscuri pentru mediu.

Aşa cum spuneam, echipa de ingineri are deja multiple proiecte finanţate în care aceştia vor demonstra aplicabilitatea tehnologiei lor în domeniile menţionate mai sus şi vor genera şi cifre verificate de randament energetic în toate scenariile. Iar companiile precum VW aşteaptă aceste rezultate pentru a putea aplica noua tehnologie şi pe maşinile lor. Or, dacă o maşină electrică va consuma de 5 ori mai puţină energie pentru a-şi menţine bateria rece, ea va avea imediat o autonomie mai mare, fără a-şi creşte bateria. Şi, în mod similar, şi o clădire încălzită cu mai puţină energie decât cea folosită de o pompă de căldură va deveni mai eficientă energetică. Iar încălzirea şi răcirea spaţiilor încă mai ocupă o cotă imensă din consumul energetic final al omenirii. Deci, noua tehnologie are un potenţial uriaş de aplicare, şi la cât de repede au curs milioanele şi proiectele spre ea, cu siguranţă vom auzi foarte curând şi despre primele implementări.