Pompy ciepła bez sprężarek. Ta technologia może zmienić cały rynek

Pompy ciepła od dekad wykorzystują podstawową zasadę działania opartą na sprężaniu i rozprężaniu czynnika chłodniczego. Firma Qurie uważa jednak, że możliwe jest stworzenie znacznie prostszego układu, który nie będzie wymagał ani sprężarki, ani klasycznego obiegu chłodniczego.

Qurie GmbH, spin-off uznanego, niemieckiego instytutu Fraunhofer IPM z Fryburga, rozwija pompę ciepła wykorzystującą zjawisko elektrokaloryczne, zachodzące w materiałach stałych. Według twórców technologii systemy kaloryczne mogą teoretycznie przekraczać 80 proc. możliwej sprawności termodynamicznej, podczas gdy współczesne układy sprężarkowe osiągają około 50 proc. Oznaczałoby to potencjalne ograniczenie zużycia energii nawet o 30-40 proc., przy jednoczesnym wyeliminowaniu sprężarki oraz klasycznych czynników chłodniczych. Dodatkową zaletą mają być niższy poziom hałasu oraz ograniczone wymagania serwisowe wynikające z mniejszej liczby elementów mechanicznych.

Zamiast sprężarki materiały elektrokaloryczne

Technologia rozwijana przez Qurie opiera się na specjalnych materiałach ceramicznych oraz polimerowych, które zmieniają swoją temperaturę pod wpływem pola elektrycznego. Firma pracuje między innymi z polifluorkiem winylidenu (PVDF), zaliczanym do grupy elektroaktywnych polimerów. Po przyłożeniu pola elektrycznego dipole wewnątrz materiału ustawiają się w bardziej uporządkowany sposób, co prowadzi do wzrostu temperatury. Powstałe ciepło może zostać następnie odprowadzone do wymiennika. Po wyłączeniu pola elektrycznego materiał wraca do stanu o większym nieuporządkowaniu, a jego temperatura spada, umożliwiając odbiór ciepła z otoczenia.

REKLAMA

Zdaniem przedstawicieli startupu proces ten charakteryzuje się bardzo wysoką odwracalnością. W przeciwieństwie do klasycznych układów sprężarkowych nie występują tutaj straty związane z pracą sprężarki czy przepływem gazu pod wysokim ciśnieniem. Co istotne, w przeciwieństwie do technologii magnetokalorycznych i elastokalorycznych, układy elektrokaloryczne nie wymagają stosowania magnesów ani mechanicznych układów wywołujących naprężenia materiału. Dzięki temu architektura całego urządzenia może być prostsza, bardziej kompaktowa i łatwiejsza do wdrożenia w zastosowaniach komercyjnych.

Największym wyzwaniem pozostaje transport ciepła

Sam efekt elektrokaloryczny nie jest nowym odkryciem. Od wielu lat stanowi jeden z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju technologii chłodniczych i grzewczych opartych na materiałach stałych. Największym ograniczeniem pozostawało jednak szybkie dostarczanie i odbieranie ciepła z materiału aktywnego. To właśnie ten etap przez lata ograniczał częstotliwość pracy układów kalorycznych oraz ich praktyczne zastosowanie poza laboratoriami.

Zespół Qurie twierdzi, że opracowało rozwiązanie tego problemu dzięki opatentowanemu systemowi zarządzania ciepłem wykorzystującemu aktywne rury cieplne (ang. active electrocaloric heat pipes, AEH). Zamiast klasycznego przepływu cieczy przez wymiennik zastosowano procesy parowania i skraplania medium roboczego, którym może być między innymi woda lub etanol. Opracowana przez Fraunhofer IPM technologia wykorzystuje ciepło utajone przemian fazowych do szybkiego transportu energii. Medium robocze odparowuje pod wpływem wzrostu temperatury materiału elektrokalorycznego, a następnie skrapla się po jego schłodzeniu. Dzięki temu możliwe jest znacznie szybsze przenoszenie energii niż w przypadku klasycznych układów wykorzystujących przepływ cieczy.

Według startupu takie podejście pozwala znacząco zwiększyć dynamikę pracy układu. Podczas gdy wiele rozwijanych obecnie systemów kalorycznych pracuje z częstotliwością około 1 – 2 Hz, rozwiązanie Qurie osiągnęło już częstotliwość do 20 Hz, co odpowiada 20 cyklom parowania i skraplania na sekundę. Oznacza to nawet dziesięciokrotnie wyższą częstotliwość pracy niż w wielu konkurencyjnych rozwiązaniach wykorzystujących transport ciepła za pomocą cieczy. Zdaniem twórców technologii właśnie ten parametr może okazać się kluczowy dla zwiększenia mocy urządzeń i ich późniejszej komercjalizacji.

REKLAMA

Technologia znajduje się obecnie na etapie rozwoju prototypowego. Czterostopniowy układ demonstracyjny osiągnął dotychczas moc chłodniczą około 2 W. Kolejnym krokiem ma być budowa bardziej zaawansowanego prototypu.

Na chwilę obecną na stronie internetowej startupu nie znajdziemy wielu szczegółów technicznych dotyczących samej technologii czy urządzenia.

Ponad dekada badań za nowym startupem

Choć Qurie zostało założone dopiero w 2026 r., technologia rozwijana przez spółkę ma znacznie dłuższą historię. Fraunhofer IPM prowadzi badania nad systemami elektro-, magneto- i elastokalorycznymi od ponad dziesięciu lat. Startup komercjalizuje wybrane rozwiązania opracowane wcześniej w ramach prac badawczych instytutu, w tym opatentowaną technologię aktywnych rur cieplnych AEH. W kwietniu spółka pozyskała finansowanie wstępne (tzw. seed funding) od funduszu High-Tech Gründerfonds, Technology Transfer Fund TT49 wspieranego przez Europejski Fundusz Inwestycyjny oraz Aepikur GmbH. Równolegle rozwój technologii wspierany jest przez program badawczy niemieckiego Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii.

Ambicje sięgają rynku pomp ciepła

Pierwsze komercyjne zastosowania mają pojawić się w chłodzeniu szaf sterowniczych, systemów fotonicznych i laserowych. Są to obszary, w których tradycyjne czynniki chłodnicze bywają problematyczne ze względu na wymagania bezpieczeństwa.

Choć początkowo Qurie koncentruje się na niszowych zastosowaniach przemysłowych, firma nie ukrywa znacznie większych ambicji. Docelowo technologia ma znaleźć zastosowanie również w urządzeniach o mocy od 100 W do 10 kW, obejmując między innymi małe systemy chłodnicze, komercyjne instalacje chłodnicze oraz pompy ciepła dla budynków mieszkalnych. Jeśli założenia dotyczące sprawności, trwałości i skalowalności zostaną potwierdzone w kolejnych etapach rozwoju, technologia elektrokaloryczna może stać się jedną z najciekawszych alternatyw dla tradycyjnych pomp ciepła wykorzystujących sprężarki i czynniki chłodnicze.

Radosław Błoński

redakcja@gramwzielone.pl

© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o