Magnetisk køling – køleteknologi med en varm fremtid

Nogle materialer skifter temperatur, når de kommer ind i et magnetfelt. Det kan man udnytte til at lave miljøvenlige og effektive alternativer til traditionelle køleskabe og varmepumper.

Fænomenet, den såkaldte magnetokaloriske effekt (se sidehistorie), har været kendt i næsten 100 år. I mange år anvendte man kun effekten til at opnå ultralave temperaturer i laboratoriet, men fra 2000-tallet og frem har der været en voksende indsats for at udnytte fænomenet til køling ved mere almindelige temperaturer.

Et ganske almindeligt køleskab virker ved, at et kølemiddel med lavt kogepunkt skifter fase fra væske til damp og tilbage igen i en cyklisk proces. Når kølemidlet er på væskeform, er det koldt og kan optage varme fra det indre af køleskabet (som så afkøles). Efterhånden som kølemidlet optager varmen, fordamper væsken. En kompressor sammentrykker dampen under højt tryk, hvorved dampens temperatur stiger.

På bagsiden af køleskabet kan dampen nu afgive sin overskydende varme til den omgivende luft. Under denne proces fortættes dampen til væske, der så passerer en ekspansionsventil, hvor trykket falder brat. Det sænker væskens temperatur (strengt taget fordamper en del af væsken samtidig, så der bliver tale om en kold blanding af væske og gas), og cyklussen kan begynde forfra. Kompressoren, som basalt set er en pumpe, har været anvendt i mere end 150 år til køling.

Sådan udregnes et køleskabs effektivitet

Effektiviteten af et køleskab er defineret som den mængde varme, der fjernes fra køleskabets indre i løbet af et vist tidsrum, divideret med den mængde arbejde (i form af elektricitet) man har tilført kompressoren for at drive den.

Hvis processerne i kølecyklussen er uden indre tab (sådanne processer kalder man reversible, da de kan forløbe lige godt i begge retninger), får man den højst opnåelige effektivitet. Der er imidlertid flere irreversible delprocesser i en kompressorcyklus.

Den vigtigste skyldes den næsten fri udvidelse af væske-gas-blandingen efter ekspansionsventilen: Når en gas udvider sig frit, er det altid en irreversibel proces. Der er derfor en grænse for, hvor meget tabene i en kompressor kan reduceres.

I modsætning hertil er den magnetokaloriske effekt reversibel: Temperaturen af et magnetokalorisk materiale, der kommer ind i et magnetfelt, stiger et vist antal grader, og når materialet fjernes fra magnetfeltet, falder temperaturen tilbage til udgangspunktet igen.

Potentielt kan man derfor opnå en højere effektivitet i et kølesystem baseret på den magnetokaloriske effekt.

Hvorfor er alle køleskabe ikke magnetiske?

Hvis det er tilfældet, kan man undre sig over, at alle køleskabe ikke er magnetiske. Det skyldes primært, at man ikke kan bruge den magnetokaloriske effekt direkte. Selv i ret kraftige magnetfelter (1-1,5 tesla) er den nemlig alt for lille, i størrelsesordenen 3-4 °C, til at den alene kan udnyttes til at køle et køleskab.

Man bliver derfor nødt til at bruge den lille magnetokaloriske temperaturændring til at opbygge en meget større temperaturforskel mellem et køleskabs kolde og varme side.

Det gør man ved at arrangere de magnetokaloriske materialer i en såkaldt regenerator, der på samme tid kan opretholde temperaturforskellen og transportere varmen fra den kolde til den varme side. Varmetransporten sker ved hjælp af en væske, typisk vand eller vand blandet med kølervæske (hvis man skal under 0 °C), der skubbes frem og tilbage i regeneratoren.

Lokalt i regeneratoren skifter temperaturen under en kølecyklus kun de 3-4 °C, som den magnetokaloriske effekt giver, mens temperaturforskellen fra den ene ende af regeneratoren til den anden er mange gange større.

Selvom vandet ikke skifter fase undervejs i processen, vil der stadig optræde tab, når varmen skal overføres mellem regeneratoren og væsken.

En stor del af udfordringen er derfor at designe regeneratorer, der er så effektive som muligt til at overføre varme samtidig med, at de også har en høj magnetokalorisk effekt.

Den afgørende Curie-temperatur

Den magnetokaloriske effekt skyldes et samspil mellem den magnetiske orden og molekylernes varmebevægelse i et magnetisk materiale. Dette samspil er særligt tæt i nærheden af den såkaldte Curie-temperatur, som er forskellig fra materiale til materiale.

Når temperaturen er lavere end Curie-temperaturen, er materialet magnetisk, mens det er umagnetisk, når temperaturen er højere end Curie-temperaturen.

Det er kun i temperaturområdet omkring Curie-temperaturen, at der er en magnetokalorisk effekt af betydning, og det gælder derfor om at finde materialer, der både har en høj effekt og en Curie-temperatur, der ligger i det rigtige område. Et meget brugt materiale er grundstoffet gadolinium, som har en Curie-temperatur på 20 °C.

En stor del af den internationale forskningsindsats går på at finde nye magnetokaloriske materialer. Hele forskningsområdet blev da også for alvor sat i gang da V.K. Pecharsky og K.A. Gschneidner, Jr., fra det amerikanske Ames Laboratory i 1997 opdagede den såkaldte giant magnetocaloric effect i materialet Gd5Si2Ge2 (gadolinium-silicium-germanium), hvor effekten er endnu større end i gadolinium.

I dag er fokus i høj grad på at finde serier af materialer med forskellig Curie-temperatur, der kan sættes efter hinanden i en regenerator. Derved sikrer man, at hvert materiale virker i netop det temperaturområde, der er optimalt for det, og man kan dermed øge ydelsen.

Tværfaglige udfordringer

Det er imidlertid ikke nok at have et eller flere gode magnetokaloriske materialer. Man skal også kunne formgive dem, så man får en regenerator med lille modstand over for gennemstrømmende væske, men samtidig med højt overfladeareal så regeneratoren kan udveksle varmen med væsken.

Desuden har man brug for en magnet med skarpt afgrænsede områder af henholdsvis højt magnetfelt og intet magnetfelt, og et systemdesign med en præcis timing af væskestrømning og magnetfelt.

Den krævede indsats er derfor i høj grad tværfaglig.

På Institut for Energikonvertering og -lagring på DTU, hvor vi har arbejdet med magnetisk køling i snart 10 år, samarbejder fysikere, ingeniører, kemikere, laboranter og forskningsteknikere om bl.a. materialeudvikling, formgivning af materialer, design af magneter og systemer samt modellering både på mikroniveau og på systemniveau.

Udfordringerne kan vise sig uventede steder. Det kan således virke som en triviel ting at gå fra et godt materiale, udmålt og karakteriseret i form af en lille pulverprøve, til en regenerator bestående af f.eks. kugler eller plader af det samme materiale. Det er imidlertid langt fra tilfældet – det kan være både dyrt og vanskeligt at finde processer, der kan formgive de ofte ikke særligt mekanisk stærke materialer.

På DTU Energikonvertering har vi udviklet en metode til billigt og hurtigt at fremstille plader af magnetokaloriske keramiske materialer, hvor man allerede i fremstillingsprocessen sammensætter dem af materialer med forskellige aktive temperaturområder og dermed skræddersyr pladerne til at gå direkte ind i en regenerator.

Metoden er udviklet i samarbejde med kolleger inden for keramisk procesteknologi, et område som instituttet har mange års erfaring med i forbindelse med brændselsceller. Faktisk er de keramiske materialer, vi bruger, nært beslægtet med katodematerialerne i keramiske brændselsceller.

Prototypens komponenter skal optimeres

Vores tværfaglige tilgang til udviklingen er netop et af vores stærke fortrin i sammenligning med de mange internationale grupper, der også arbejder med den magnetokaloriske effekt og magnetisk køling.

De fleste andre grupper fokuserer på et enkelt aspekt: enten på materialeudvikling, på modellering eller på systemopbygning. Vores hidtidige arbejde, støttet af Det Strategiske Forskningsråd gennem projektet MagCool, mundede i 2011 ud i konstruktionen af en laboratorieprototype, der demonstrerer teknologiens principper.

Prototypen består af en specialdesignet magnet, der har form som to koncentriske cylindre. Magneten danner fire områder med højt magnetfelt og fire områder med lavt magnetfelt i mellemrummet imellem de to cylindre. I dette mellemrum anbringes regeneratoren, som indeholder magnetokaloriske materialer i form af enten plader eller små kugler.

Ved at rotere regeneratoren bliver materialerne skiftevis opvarmet og nedkølet. Samtidig strømmer der væske frem og tilbage langs regeneratoren for at transportere varmen fra den kolde ende af maskinen til den varme. Maskinens ydelse afhænger af driftsparametrene (rotationshastighed og væskestrømning).

Selv om ydelsen nærmer sig noget praktisk anvendeligt, er der dog stadig tale om en laboratorieprototype. F.eks. skal prototypens hjælpekomponenter (motor og pumpe) optimeres væsentligt for at forbedre effektiviteten. Det er noget af det arbejde, vi er i gang med.

Konkurrencedygtig teknologi?

Når man arbejder med forskning, der har et anvendelsesmæssigt perspektiv, får man ofte spørgsmålet: Hvornår bliver teknologien kommerciel? Det er også et af de spørgsmål, der er sværest at besvare.

Nogle gange går det meget hurtigt med at omsætte et forskningsfelt til et produkt, mens det andre gange er et langt sejt træk. Andre gange igen (og måske de fleste) lykkes det aldrig. Desværre kan man ikke altid på forhånd forudsige, hvad der bliver en succes, og hvad der bliver en fiasko.

Når det gælder magnetisk køling er vi oppe mod en uhyre moden og veludviklet teknologi i form af kompressoren, som ikke engang er særlig dyr. Dertil kommer, at flere af de materialer, der bruges til magnetisk køling, indeholder de såkaldte sjældne jordarter, som der i øjeblikket er stor kommerciel og politisk fokus på, da Kina sidder på en meget stor del af verdensproduktionen og derfor i vid udstrækning kan bestemme priserne.

De magneter man skal bruge, indeholder også en af de sjældne jordarter, neodym. Man kan derfor spørge, om magnetisk køling nogensinde vil blive konkurrencedygtig rent prismæssigt.

Vi og flere andre forskningsgrupper har udført omkostningsanalyser, der viser, at trods indholdet af sjældne jordarter vil teknologien på længere sigt godt kunne konkurrere med de eksisterende køleteknologier. Dertil kommer, at de to dyreste komponenter, regeneratoren og magneten, ikke slides og derfor let vil kunne genbruges efter køleskabet er udtjent.

Én mulighed er at tænke i nye forretningsmodeller, hvor forbrugeren leaser sit køleskab og returnerer det efter endt brug til genanvendelse.

Fremtiden for magnetisk køling

Når det er sagt, er der dog nok heller ikke nogen tvivl om, at husholdningskøleskabet ikke er den anvendelse, hvor magnetisk køling først får sit gennembrud – markedet er for prisfokuseret og den potentielle besparelse for forbrugeren ikke stor nok endnu.

Derimod ser vi gode muligheder for anvendelser inden for forskellige nicher, hvor fordelene ved magnetisk køling kommer til sin ret: store anlæg til f.eks. supermarkeder eller kølecontainere, specialanvendelser som køling af servere i datacentre, små lydløse anlæg til hotelværelser og ikke mindst varmepumper til opvarmning.

Vi har netop fået bevilget et stort projekt fra Det Strategiske Forskningsråds Programkomite for Energi og Miljø, hvor vi i samarbejde med danske og internationale forskningsinstitutioner og virksomheder skal tilvejebringe det forskningsmæssige grundlag for at bruge teknologien til varmepumper. Projektet vil munde ud i demonstrationen af en magnetisk varmepumpe i 2016. Vi tør derfor godt spå, at magnetisk køling går en varm fremtid i møde.