Katı Soğutucu Akışkanlara Yeni Bir Bakış Açısı
Katı soğutucu akışkanlar veya “kalorik malzemeler” olarak adlandırılan malzemeler, birkaç on yıldır soğutucu gazların yerine önerilmektedir. Ancak şimdiye kadar, altta yatan malzemelerin performansı ticari uygulamaları yasaklıyordu. Cambridge Üniversitesi'nden bir araştırma grubu şimdi barokalorik malzemeler olarak adlandırılan katı malzemelerin ultra verimli ve düşük maliyetli kullanımına olanak tanıyan yeni bir malzeme sınıfı keşfetti. Barocal'ın Ticari İşler Direktörü Florian Schabus, bunun sektör için neden potansiyel bir oyun değiştirici olabileceğini inceliyor.
İlk sentetik soğutucu gazlar 1920'lerde üretildi ve soğutma ve soğutmayı temelden değiştirdi. Freon'un keşfi, endüstrinin yaygın olarak benimsenmesini engelleyecek toksik veya yanıcı alternatiflerden uzaklaşmasını sağladı. CFC'ler veya HFC'ler gibi soğutucu gazlar konfor soğutmasının yaygınlaşmasını sağlamıştır ve modern yaşam standardımızın temelini oluşturmaktadır. Ancak, ciddi çevresel sorunlara neden olurlar. HVAC endüstrisi, gazların sızması ve düşük enerji verimliliği yoluyla iklim değişikliğine büyük ölçüde olumsuz etkide bulunmaktadır.
Sorunun boyutu göz önüne alındığında, faz değişimine uğrayan katı malzemelerin kullanımı da dahil olmak üzere çok sayıda alternatif önerilmiştir. “Kalorik malzemeler” olarak adlandırılan bu malzemelerin, gaz halindeki soğutucu akışkanların doğasında var olan zorlukların üstesinden gelmek için onların yerine kullanılması fikri yeni değildir. Aslında, katı soğutucu akışkanlara yönelik araştırmalar onlarca yıldır devam etmektedir.
Gerçekleştirilemeyen vaatlerin tarihi
NASA ilk olarak 70'li yıllarda “manyetokalorik malzemeler” üzerinde çalıştı ve son yıllarda katı malzemelere dayalı birçok prototip ortaya çıkarıldı. Yıllar içinde bilim insanları manyetik alanlar, mekanik stres veya elektrik alanları kullanılarak aktive edilebilen farklı malzeme sınıfları keşfetti. Yarışmacılar çok sayıdaydı ve vaatler genellikle aynıydı: Gazları katı soğutucu akışkanlarla değiştirerek, buhar sıkıştırma ile ilişkili kaçak emisyonları ortadan kaldırabilir ve enerji verimliliğini artırabilirdi. Ancak bunların hiçbiri gerçekleşmedi.
Bunun nedeni basittir: Önerilen sistemler temelde çekirdek malzemeleri ile sınırlıydı. O dönemde kalorik malzemelerin termal performansı, geleneksel soğutucu gazlarınkinden 100 kat daha düşüktü. En iyi mühendisliğin bile kazanamayacağı içsel malzeme özelliklerine karşı bir mücadele söz konusuydu. Düşük verimlilik, düşük sıcaklık yükselmeleri ve yüksek malzeme maliyeti ile boğuşan endüstri, haklı olarak bunu büyük ölçüde sadece akademik bir uğraş olarak gördü.
Sentetik soğutucu gazlara karşı gerçekçi bir rekabet şansına sahip olmak için yeni soğutucu akışkanların birkaç kriteri yerine getirmesi gerekiyordu: Büyük entropi değişiklikleri, düşük maliyetli temel malzemeler, basit aktivasyon mekanizmaları, uzun ömürler - bunlardan sadece birkaçı. Buhar sıkıştırma endüstrisinin teknolojisini rafine etmek ve optimize etmek için 100 yılı aşkın bir süreye sahip olduğu göz önünde bulundurulduğunda, yeni malzemeler için görünüşte imkansız bir görevdi.
Barokalorik malzemelerin keşfi
Cambridge Üniversitesi son 15 yıldır katı soğutkan araştırmalarının ön saflarında yer alıyor ve katı soğutkan araştırmalarının farklı alanlarında öncü çalışmaların kökenini oluşturuyor. Mevcut en iyi katı malzemeler bile kalıcı mıknatıslar tarafından üretilen manyetik alanlar altında yalnızca yaklaşık 3°C'lik sıcaklık artışları sağladı; bu da gerçek dünyadaki çoğu uygulama için pratik değildir. Cambridge'deki araştırma grubu bunu değiştirmek için işe koyuldu.
Yaygın olarak atıfta bulunulan 2015 Nature Communications yayını, sözde “barokalorik malzemeleri” tasnifledi. Cambridge'deki araştırma grubuna liderlik eden Prof. Moya, ilk kez geleneksel soğutucu gazlarla aynı termal performansa sahip katı bir malzeme buldu. Bu büyük bir bilimsel atılımdı.
Soğutucu gazlar gibi, bu barokalorik malzemeler de sıkıştırıldıklarında faz değişimine uğrar ve basınçtaki değişikliklere bağlı olarak sıcaklıklarını değiştirir. Ancak ilgiyi tetikleyen tek şey büyük entropi değişiklikleri değildi. Bu malzemeler organik olduğundan, üretimi kolaydır ve halihazırda ticari ölçekte mevcuttur. Herhangi bir çevresel endişeye yol açmaz ve ultra yüksek verimlilikte işlemlere izin verirken neredeyse sonsuza kadar çevrimlenebilir. İlk kez, yeni soğutkanların performans ve maliyet açısından geleneksel gazlarla eşleşebileceği ve 2-3 kat daha yüksek enerji verimliliği potansiyeli sunabileceği uygulanabilir bir yol varmış gibi görünüyordu.
Ticari uygulanabilirliğe giden yol
Ancak, bu malzemelerin gerçek bir sistemde kanıtlanması birkaç yıl daha alacaktı. Malzemelerin etkinleştirilmesi yüksek basınçlar gerektirir ve verimli ısı transfer mekanizmaları tasarlamak zor oldu. Malzeme pompalanamaz ve kompresör ve ısı değişimi tasarımı mevcut sistemlerden farklıdır. Cambridge'deki malzeme araştırmalarından kaynaklanan bir yan kuruluş olan Barocal tam olarak bunun üzerinde çalışıyor. Rocky Mountain Enstitüsü ve Bill Gates'in iklim fonlama kolu Breakthrough Energy'nin bir girişimi olan Küresel Soğutma Ödülü tarafından desteklenen şirket, bu yeni malzemelere dayalı ilk işlevsel prototipler üzerinde çalışıyor.
10 mühendis ve bilim insanından oluşan bir ekiple Barocal, bu özel malzemeler etrafında yeni sistemler üzerinde çalışıyor. En son TRL5 prototipinin, enerji verimliliği açısından onları geride bırakırken buhar sıkıştırma sistemleriyle uyumlu soğutma güçleri ve sıcaklık aralıkları sağladığı söyleniyor. Teknoloji modülerdir ve yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir, bu da onu ortam sıcaklığındaki çoğu soğutma, ısıtma ve soğutma uygulaması için uygun hale getirir.
Bu, bilim camiası için gerçek bir paradigma değişimidir, ancak geleneksel soğutma sistemlerine gerçek bir rakip olmak için şirketin, pazardaki soğutucu gazlarla etkili bir şekilde rekabet edebilmek için sistem maliyetini düşürme yeteneğini kanıtlaması gerekecektir. Barocal, maliyet eşitliğine ulaşmak için gerekli ölçek ve üretim hacmine ulaşmak için OEM'ler ve üreticilerle ortaklık kurmayı planlıyor, ancak temel bir zorluk devam ediyor: Katı bir maddeyi sıkıştırmak, bir gazı sıkıştırmaktan daha yüksek basınçlar gerektiriyor.
Görünüm
Yeni barokalorik malzemelerin keşfi, tamamen yeni nesil soğutucular için temel olabilir. Bu malzemelerin termal performansı soğutucu gazların performansıyla eşleşiyor ve 1 kg malzeme teorik olarak 121.000 joule'un üzerinde enerji sağlayabilir. Yeni malzemeler üzerine araştırmalar devam ederken, bu performans bugün bile geleneksel sistemlerle aynı form faktörüne ve işlevsel performansa sahipken 2 kat daha yüksek verimlilik sunan yeni soğutma sistemleri için yeterince iyi.
Tüm bu heyecanın ortasında, gerçek saha kanıtı hâlâ ortada yok. Şirket bu yılın ilerleyen zamanlarında ilk saha pilot sistemlerini teslim etmeyi planlıyor ve OEM'lerle birlikte gerçek dağıtım verilerini toplayacak. Bunun gerçek bir devrimin başlangıcı mı yoksa pazar engellerinin çok mu büyük olduğu henüz belli değil. Sonuçta, bu sistemler farklı bakımlar gerektirecek ve zaman zaman yavaş hareket edebilen ve büyük ölçüde maliyet odaklı bir sektörü değiştirmeye çalışıyor.
Thomas Midgley Jr.'ın ilk ticari kloroflorokarbon olan Freon'u sentezlemesinden 97 yıl sonra, soğutucularda başka bir temel değişim görebiliriz. Ve buna acilen ihtiyaç var. Radikal değişiklikler yapılmazsa, soğutucu gaz sızıntıları önümüzdeki 25 yıl içinde 57 Gt Co2e ek emisyona neden olacak. Bu, tüm dünyanın yıllık emisyonlarının 1,5 katından daha fazla. Enerji verimliliği tasarruflarıyla birlikte, katı soğutuculara geçiş bizi neredeyse tek başına 1,5°C'lik bir yola geri koyabilir.
