Ideed, et külma õhku saab kasutada energiaallikana kütmiseks, uuritakse praegu aktiivselt termodünaamika ja energeetika valdkonnas.
Sellised uuringud uurivad adsorptsiooni- ja kemosorptsioonitsükleid, mis on võimelised madala temperatuuriga keskkonnast soojusenergiat ammutama ja selle kasulikuks soojuseks muutma.
1. “Soojus külmast” termodünaamiline analüüs
Teadlased viisid läbi uue tsükli, hüüdnimega “TepHol” (Soojus külmast), termodünaamilise analüüsi. Nad uurisid erinevaid töövedelikke – vett, metanooli, ammoniaaki ja R32 fluorosüsinikku – ning adsorbente (näiteks aktiivsütt). Tulemused näitasid järgmist:
“Kasulik soojus tsükli kohta suureneb järjekorras vesi > ammoniaak ≥ metanool > R32. Selle tsükli kõige lootustandvamad adsorbendid on MaxsorbIII ja SRD1352/2 aktiivsüsi.”
Töövedelike termodünaamiline analüüs uue „külmast soojuse” tsükli jaoks, MDPI Energy väljaanne, 2022.
See tähendab, et töövedelike (sh metanooli/kivisöe) õige valik võimaldab märkimisväärset soojuse teket isegi madalatel ümbritseva õhu temperatuuridel.
2. Ammoniaagil põhinevad keemilised sorptsioon-soojuspumbad
Teine uurimisvaldkond on keemilised sorptsioon-soojuspumbad, mis kasutavad soojuse ülekandmiseks pöörduvaid keemilisi reaktsioone. Yangi, Qu ja Gluesenkampi (2020) ülevaates on öeldud:
„Ammoniaagil põhinevatel keemilised sorptsioon-soojuspumpadel on suur potentsiaal suure efektiivsusega kütmiseks külmas kliimas tänu ammoniaagi kõrgele faasisiirde soojusele ja madalale keemistemperatuurile.”
Z. Yang, M. Qu, K. R. Gluesenkamp, ”Ammoniaagil põhinevad keemilised absorptsiooniga soojuspumbad külma kliima küttesüsteemide jaoks: põhjalik ülevaade”, Applied Thermal Engineering, 2020.
See on oluline punkt: sellised süsteemid suudavad väga madalatel temperatuuridel töötada tõhusamalt kui traditsioonilised soojuspumbad, mistõttu on need atraktiivsed põhjapoolsetele piirkondadele.
3. Kaasaegsed teaduslikud avastused adsorptsioonitsüklite kohta
Metanooli/spetsialiseeritud sorbendi adsorptsioonisüsteeme uuritakse aktiivselt nii ScienceDirectis kui ka ACS-is. Näiteks näitab hiljutine 2024. aasta uuring:
“Alkoholide (metanool, etanool) kombinatsioonid hüdrofoobsete metallorgaaniliste raamidega (MOF) pakuvad soojuspumpadele ja jahutussüsteemidele suurt jõudlust ja suurepärast energiatõhusust.”
R.M. Madero-Castro jt, “Alkoholipõhised adsorptsioon-soojuspumbad, mis kasutavad hüdrofoobseid metall-orgaanilisi raame”, Journal of Materials Chemistry A, 2024.
Need tulemused kinnitavad, et mitte ainult klassikalised sorbendid, vaid ka uuenduslikud struktuurid (MOF-id) suudavad madalatel temperatuuridel suuremat efektiivsust pakkuda – potentsiaalselt sobivaks selliste kontseptsioonide jaoks nagu “TepHol”.
4. Mida klassikaline teadus ütleb adsorptsiooni kohta energiasüsteemides
Varasemad uuringud näitavad, et adsorptsioon on põhiline soojusülekande mehhanism, mida saab kasutada soojuspumpade tsüklites:
“Klassikaliste töövedeliku/adsorbendi paaride hulka kuuluvad aktiivsüsi-metanool, silikageel-vesi ja tseoliidid-vesi; neid paare uuritakse aktiivselt kliimaseadmete ja soojuspumpade jaoks.”
San jt ülevaade teoses “Adsorptsiooni tööpaarid adsorptsioonjahutusjahutite jaoks: ülevaade”.
See kinnitab, et idee kasutada adsorptsiooniprotsesse madala temperatuuriga keskkondadest pärineva soojuse haldamiseks ei ole fantaasia, vaid aastakümnete pikkuse teadusliku uurimistöö objekt.
Seos traditsiooniliste soojuspumpadega
Kuigi TepHoli tehnoloogiat kirjeldatakse kui uut, on see põhimõtteliselt sarnane soojuspumpadega, mida rahvusvahelised laborid juba uurivad.
Näiteks kirjeldab Riikliku Taastuvenergia Laboratooriumi (NREL) 2022. aasta aruanne, kuidas külma kliima jaoks mõeldud õhk-soojuspumbad saavad tõhusalt töötada isegi temperatuuridel umbes 0°F (~ -18°C) ja alla selle, kui need on spetsiaalselt selliste tingimuste jaoks loodud.
See tähendab, et isegi ilma keemiliste sorptsioonitsükliteta on külmast õhust soojuse taaskasutuse efektiivsus juba tunnustatud praktilise tehnoloogiana ja TepHol lihtsalt laiendab seda lähenemisviisi, keskendudes adsorptsiooniprotsesside arendamisele.
Mida see kõik TepHoli idee jaoks tähendab?
Teaduspublikatsioonide põhjal:
- Adsorptsiooni-/keemilise sorptsioonitsüklid võivad tõepoolest toota kasulikku soojust isegi väga külmast keskkonnast ja seda efekti on termodünaamilistes mudelites õigesti kirjeldatud.
- Metanooli/aktiivsöe tööpaarid ja uuenduslikud MOF-struktuurid sobivad selliste süsteemide jaoks hästi.
- Olemasolevad külma kliima jaoks mõeldud soojuspumbad näitavad, et külmast õhust saadavat soojust kasutatakse juba praktilises inseneritöös.
Seega pole idee “külma kultuurilisest käsitlemisest soojusallikana” kaugeleulatuv ettepanek, vaid kinnitatud uurimissuund, mis areneb aktiivselt termodünaamikas ja energiatõhusate süsteemide inseneriteaduses.
