Για πάνω από έναν αιώνα, το όνειρο της αποδοτικής συγκέντρωσης χαμηλής ποιότητας θερμότητας σε υψηλής θερμοκρασίας βιομηχανική ενέργεια είχε ένα επίμονο όριο: τους 200 βαθμούς Κελσίου. Πλέον, μια ομάδα από την Κίνα έσπασε αυτό το όριο, επιτυγχάνοντας θερμοκρασία εξόδου 270 βαθμών, χρησιμοποιώντας μια επαναστατική αντλία θερμότητας χωρίς κινούμενα μέρη.
Η τεχνολογία, που αναπτύχθηκε από ερευνητές υπό την ηγεσία του Luo Ercang στο Τεχνικό Ινστιτούτο Φυσικής και Χημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS), μπορεί να παράγει υψηλής ποιότητας θερμότητα από μέτριες πηγές, όπως ηλιακούς συλλέκτες ή βιομηχανικούς αεραγωγούς, για εφαρμογές σε κεραμικά, πετροχημικά και μεταλλουργία. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει σε ηλιακές μονάδες να παράγουν απευθείας την έντονη θερμότητα που απαιτείται για την τήξη μεταλλεύματος σιδήρου ή την επεξεργασία αλουμινίου, και σε χημικά εργοστάσια να ανακυκλώνουν τη δική τους απορριφθείσα θερμότητα για διαχωρισμό ή σύνθεση μορίων.
Η ανακάλυψη έρχεται σε μια κρίσιμη στιγμή για την παγκόσμια ενεργειακή κούρσα. Σχεδόν ο μισός τελικός ενεργειακός λογαριασμός παγκοσμίως αφιερώνεται στη θέρμανση και την ψύξη, με τη βιομηχανία να ευθύνεται για σχεδόν το ήμισυ αυτής της χρήσης. Μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας παράγεται από την καύση άνθρακα, πετρελαίου ή φυσικού αερίου. Μόνο στην Κίνα, μεταξύ 10% και 27% της συνολικής ενέργειας χάνεται ως απορριφθείσα θερμότητα. Η ανάκτηση και αναβάθμιση έστω και ενός κλάσματος αυτής της διαφυγούσας ενέργειας θα μπορούσε να μεταμορφώσει την βιομηχανική αποδοτικότητα της Κίνας, να μειώσει δραστικά τις εκπομπές άνθρακα και να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής.
Η ομάδα του Luo οραματίζεται ότι, μέχρι το 2040, οι αντλίες θερμότητας υπερυψηλής θερμοκρασίας θα μπορούν να παρέχουν θερμότητα μηδενικών εκπομπών άνθρακα έως και 1.300 βαθμούς, εγκαινιάζοντας μια πράσινη βιομηχανική επανάσταση που θα τροφοδοτείται από τον ήλιο, πυρηνικούς αντιδραστήρες και απορριφθείσα θερμότητα.
Στην καρδιά αυτής της εξέλιξης βρίσκεται μια πρωτότυπη θερμικά κινούμενη θερμοακουστική αντλία θερμότητας. Σε αντίθεση με τις συμβατικές αντλίες που περιορίζονται στη θέρμανση σπιτιών ή την ψύξη ψυγείων, αυτό το σύστημα αξιοποιεί τη φυσική του ήχου και της θερμικής αντήχησης, γνωστής και ως θερμοακουστικών αρχών Stirling, για να ενισχύσει τη χαμηλής ποιότητας θερμική ενέργεια σε υπερυψηλής θερμοκρασίας παραγωγή. Η μετατροπή της θερμότητας σε ισχυρά ακουστικά κύματα για την κίνηση μιας κλειστού βρόχου θερμικής αναβάθμισης θα μπορούσε να παρακάμψει τους μηχανικούς και υλικούς περιορισμούς που έχουν μακροχρόνια ταλαιπωρήσει συμπιεστές και στροβίλους, σύμφωνα με τους ερευνητές.
Η καινοτομία δημοσιεύθηκε άμεσα σε κορυφαία διεθνή περιοδικά, όπως το Nature Energy, το Applied Physics Letters και το Energy. Ένα άρθρο της 3ης Δεκεμβρίου στην China Science Daily ανέφερε δηλώσεις του Luo, ο οποίος τόνισε ότι η ανάπτυξη βιομηχανικών αντλιών θερμότητας υπερυψηλής θερμοκρασίας για αποδοτική ενεργειακή χρήση θα αποτελούσε «βασική οδό προς την επίτευξη στόχων ουδετερότητας άνθρακα».
Η ερευνητική ομάδα του CAS ανέπτυξε ένα πρωτότυπο μιας νέας αντλίας θερμότητας Stirling thermoacoustic υπερυψηλής θερμοκρασίας. Η συσκευή αυτή συνδυάζει τις αρχές του κύκλου Stirling, πατενταρισμένου από τον Σκωτσέζο εφευρέτη Robert Stirling το 1816, με τη θερμοακουστική. Η αντλία θερμότητας λειτουργεί χρησιμοποιώντας ακουστική ενέργεια – έντονα στάσιμα ηχητικά κύματα – για να μεταφέρει θερμότητα από μια πηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας σε μια δεξαμενή υψηλότερης θερμοκρασίας, καθιστώντας την μια αποδοτική, ακουστικά κινούμενη αντλία θερμότητας.
Το πρωτότυπο μπορεί να απορροφήσει θερμότητα από πηγή μόλις 49 βαθμών. Όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας είναι 67 βαθμοί, το σύστημα παρέχει θέρμανση στους 214 βαθμούς. Η θερμοακουστική αντλία θερμότητας δεν έχει κινούμενα μέρη, καθιστώντας την εγγενώς αξιόπιστη για μακροχρόνια λειτουργία και ικανή να επιτύχει υψηλή ανύψωση θερμοκρασίας με δυνατότητα υψηλής απόδοσης. Επί του παρόντος, οι προηγμένες αντλίες απορρόφησης παρέχουν θέρμανση περίπου στους 100 βαθμούς με ανύψωση θερμοκρασίας περίπου 50 βαθμών. Οι μετατροπείς απορρόφησης μπορούν να επιτύχουν θερμοκρασίες κάτω των 200 βαθμών, επίσης με ανύψωση 50 βαθμών.
Στις βιομηχανικές διαδικασίες, τομείς όπως η παραγωγή χαρτιού, η βαφή, η ζυθοποιία και τα φαρμακευτικά προϊόντα απαιτούν θερμότητα μεταξύ 100 και 200 βαθμών, ενώ τα κεραμικά, η μεταλλουργία και τα πετροχημικά χρειάζονται υψηλής θερμοκρασίας θερμότητα από 200 έως πάνω από 1.000 βαθμούς. Σε ένα άρθρο της 5ης Δεκεμβρίου στο Nature Energy, ο Luo συνόψισε διάφορα ερευνητικά μέτωπα, συμπεριλαμβανομένης της θερμοακουστικής αντλίας θερμότητας Stirling της ομάδας του, ως πολλά υποσχόμενες οδούς προς την υλοποίηση αντλιών θερμότητας υπερυψηλής θερμοκρασίας. Πρότεινε επίσης κατευθύνσεις ανάπτυξης για υλικά και τεχνολογίες που απαιτούνται για μελλοντικές αντλίες θερμότητας υπερυψηλής θερμοκρασίας που λειτουργούν από 600K έως 1.600K, ή 327 έως 1.327 βαθμούς, δηλώνοντας ότι αυτές θα μπορούσαν να επιτευχθούν έως το 2040. Ο Luo δήλωσε ότι η ομάδα του θα εστίαζε στη συνέχεια σε «αντλίες θερμότητας για διαδικασίες όπως τα πετροχημικά, η μεταλλουργία και τα κεραμικά που απαιτούν ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες». Εξήγησε ότι μια θερμικά κινούμενη αντλία θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει μια θερμική πηγή, όπως έναν πυρηνικό αντιδραστήρα νερού υπό πίεση (περίπου 300 βαθμούς) ή έναν συλλέκτη ηλιακών κατόπτρων (400 έως 500 βαθμούς), ως εισαγωγή ενέργειας. «Χρησιμοποιώντας θερμοακουστικές αντλίες θερμότητας υπερυψηλής θερμοκρασίας, αυτό θα μπορούσε να ανυψωθεί στους 500 έως 800 βαθμούς, προσφέροντας μια νέα τεχνολογική οδό για υψηλής θερμοκρασίας θερμότητα μηδενικών εκπομπών άνθρακα στη βαριά βιομηχανία», πρόσθεσε ο Luo.
