Vytápění pomocí tvarové paměti kovů místo chladiv? Nitinol slibuje několikanásobně účinnější přenos tepla

Tepelná čerpadla jsou nejúčinnější zdroj vytápění současnosti. Mají řadu výhod, ale přesto nejsou vhodná do všech typů domů a při nízkých venkovních teplotách jejich účinnost klesá. Navíc mají vysoké pořizovací náklady. I provoz, zejména ve větších nebo hůře zateplených domech, může vyjít poměrně draho.

Proto výzkumníci hledají nové způsoby, jak zajistit efektivní, ekologické vytápění, které nebude trpět „neduhy“ současných tepelných čerpadel. Velice slibně vypadá využití nitinolu – slitiny niklu a titanu – a principu tzv. elastokaloriky.

Elastokalorika a fyzikální paměti kovů

Některé kovové slitiny (např. výše uvedený nitinol) mají tvarovou (fyzikální) paměť. To znamená, že mají schopnost vracet se po zahřátí do původního tvaru. Při určité teplotě se jejich struktura přeuspořádá a získá opět tvar, který měla před deformací.

Při tom dochází k tzv. elastokalorickému jevu – tj. k přenosu tepelné energie vlivem tvarových změn:

• materiál při natažení odevzdává teplo,
• při uvolnění teplo odebírá.

A právě tento princip by se dal využít v systémech vytápění pro přenos tepla – jako alternativa k chladivům, která se používají v tepelných čerpadlech.

Proč je to dobrý nápad?

• Nitinol umožňuje bezpečné přenášení tepla bez rizika úniku chladiva a tedy i bez nutnosti kontrol těsnosti chladivového okruhu a bez vlivu na globální oteplování.
• Jednodušší proces přenosu, kdy médium (zde kovová slitina) nemusí procházet změnami skupenství, jako je tomu u chladiv. Zároveň je i chemicky stabilní a nehrozí jeho rozklad nebo změna vlastností vlivem teplotních výkyvů.
• Poměrně výrazná změna teploty na malém objemu materiálu. Díky elastokalorice se dá teoreticky (!) dosáhnout až 5× vyšší účinnosti přenosu tepla než s chladivy.
• Tichý provoz systému vytápění – nitinol nepotřebuje k přenosu tepla chladivový okruh, a tedy ani kompresor.

Výzkum využití nitinolu versus praktická aplikace

To všechno zní skvěle, ale dlužno dodat, že je to zatím technologie ve fázi výzkumu. Fyzikální paměť kovů je jev známý a prakticky už dlouhou dobu využívaný – např. v medicíně (stenty) nebo v technice (aktuátory). Samotná elastokalorika pro účely vytápění nebo chlazení se však zkoumá teprve v posledních letech. A to především v Německu – na Universität des Saarlandes a Fraunhofer‑Institut für Physikalische Messtechnik (IPM).

Slibných výsledků dosáhli právě výzkumníci ze saarlandské univerzity. Ti na veletrhu Hannover Messe loni představili prototyp malého chladicího zařízení na bázi elastokalorického jevu. Tenké dráty z paměťového kovu uvnitř něj pohlcují teplo a následně ho uvolňují do okolního prostředí.

Projekt Elasto-Cool z Fraunhofer IPM zase potvrdil, že systémy na principu elastokaloriky mohou fungovat dlouhodobě i při vysokém počtu cyklů a bez okamžitého materiálového selhání. Což ukazuje, že by mohly být skutečně převeditelné i do praxe.

Nově se technologie testuje také v automobilovém průmyslu, kde by mohla být součástí klimatizačních systémů pro vozidla. A to nejen pro udržování optimální teploty v interiéru, ale také pro řízení teploty baterií. Na projektu SMArtCool spolupracují výzkumníci z Fraunhofer IPM i s automobilkami včetně společnosti Volkswagen.

Na vytápění domů si ještě počkáme

Zdroje tepla pro rodinné domy, které by pro přenos využívaly nitinol nebo jiné kovové slitiny, zatím ještě na trhu nejsou. Pokud se však osvědčí v menším měřítku – jako klimatizace v autech nebo chladicí médium v ledničkách, budou se moct začít testovat i pro vytápění objektů.

Jak bude takové zařízení vypadat? V principu podobně jako tepelné čerpadlo:

• Venku by pomocí výměníku odebíralo teplo z venkovního vzduchu nebo například z půdy zemními kolektory. V průmyslových objektech by mohlo využívat i odpadní teplo, které vzniká např. při chodu výrobních linek, datových center či kogeneračních jednotek.
• Elastokalorický modul, patrně umístěný ve venkovní jednotce, by přes mechanický pohon (elektromotor) napínal svazky drátů z nitinolu. Ty by se natahováním zahřívaly a přitom odebíraly teplo ze zdroje.
• Při návratu do původního tvaru se bude slitina ochlazovat a zároveň odevzdávat teplo do topného okruhu.
• Otopná soustava by mohla být klasická – teplovodní. A stejně jako v případě tepelných čerpadel bude efektivnější nízkoteplotní (tj. velkoplošné podlahové, stěnové nebo stropní vytápění).

Kde jsou (zatím) slabiny tohoto systému?

• Jedna z největších technických překážek je, že elastokalorické systémy zatím pracují optimálně jen v řádově jednotkách až nižších desítkách kilowatt. Což by však alespoň pro běžné rodinné domy postačovalo. U vyšších výkonů už není účinnost tak vysoká jako u menších systémů.
• Systém přenosu tepla je poměrně technicky složitý a bude se silně mechanicky namáhat. V praxi to může znamenat až miliony cyklů ročně. Jak dlouho to vydrží?
• Kvůli nedostatečným zkušenostem z praktického provozu nevíme, jaká bude reálná životnost systému a zda nebude docházet k „únavě materiálu“.
• Stejně tak nevíme, jaká bude reálná účinnost a jak se bude měnit při různých klimatických podmínkách. Deklarovaná „až pětinásobná oproti chladivům“ vychází z testování malých systémů v laboratorních podmínkách.
• Z toho všeho plynou i nejasné provozní náklady a návratnost. Nehledě k tomu, že první modely, až se objeví na trhu, budou drahé, bude malá nabídka a málo instalačních a servisních firem, které se jimi budou zabývat.

Využitelnost nitinolu pro vytápění rodinných domů je tedy zatím nejasná a hned tak si něco takového nepořídíme. Určitě se však vyplatí sledovat další vývoj této technologie. Dnes nemůže nahradit tepelná čerpadla, ale do budoucna – kdo ví? Může se osvědčit přinejmenším jako prvek hybridních systémů, zejména tam, kde je potřeba efektivně pracovat s nízkopotenciálními teplotními rozdíly.

A samozřejmě je dobré mít na mysli, že žádná, byť špičková moderní technologie využívající nejnovější vědecké poznatky, vás nespasí. Hlavním pilířem úsporného vytápění vždy byla a vždy bude dobře navržená obálka budovy, která nenechá teplo zbytečně unikat.

Zdroje:
Energozrouti.cz
Ipm.fraunhofer.de
Tech4zero.cz