TECHNIEK  
Cool and Comfort 86 – september 2020

Stapsgewijs naar… magnetisch koelen

Magnetische koelapparaten staan intussen enkele decennia met stip bovenaan als mogelijke vervangers van de huidige generatie koelers. De doorbraak kwam er nog niet. Hoe is de stand van zaken vandaag? We spraken daaromtrent met een van de belangrijkste experts ter zake wereldwijd.

Magnetisch koelen is een innovatieve manier van koelen. Die is gebaseerd op het magnetocalorische effect. Om die te verklaren, kijken we naar wat gebeurt op subatomair niveau. De atomen in het materiaal in zo’n koelkast hebben elektronen. Die hebben een magnetisch moment met de naam ‘spin’. We zouden ons die kunnen voorstellen als kompasnaaldjes die ongeordend alle kanten opstaan. Maar in een magnetisch veld klappen ze plots om tot ze allemaal in de richting staan van de magnetische veldlijnen. Dan hebben de elektronen minder energie nodig. Het overschot aan energie geven ze af. Daardoor wordt het materiaal, bijvoorbeeld het ijzer, warmer. In een magnetocalorische koelkast is die warmte af te voeren door een vloeistof langs het materiaal te leiden. Schakelen we vervolgens het magneetveld terug uit, dan gaan de ‘kompasnaaldjes’ opnieuw alle richtingen uitwijzen. Met andere woorden: de spinenergie van de elektronen neemt opnieuw toe. De energie die ze daarvoor nodig hebben, halen ze uit hun omgeving, die koeler wordt.

Markante troeven

Meer daarover weet prof. dr. Ekkes Brück, van de Nederlandse Technische Universiteit Delft. In 2016 kreeg hij een prijs toegekend door de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie ‘voor zijn vasthoudende inzet en onderzoek op het gebied van energiematerialen’.

Brück geeft ons meer uitleg over magnetocalorische apparaten. “Bij koelen in een compressie- en expansieproces wordt een medium gebruikt dat vloeistof wordt”, begint hij. “Nu, in tegenstelling tot bij een vloeistof, is wat gebeurt bij een magnetisch materiaal erg reversibel. Magnetisme is een quantummechanisch effect, en er bestaat dus eigenlijk geen wrijving in die zin. Gevolg: in een magnetisch proces krijgen we een veel hogere efficiëntie dan wat je kan bereiken in een compressie- en expansieproces. Dat is ook de reden dat we kunnen verwachten dat je een magnetische koelkast veel efficiënter kan laten draaien dan een gewone koelkast. Echter, het design moet ook goed zijn om dat te bereiken. Het is heel belangrijk dat je geen verliezen maakt. Bijvoorbeeld betekent dat, dat je het magneetveld niet met een elektromagneet moet opwekken, maar met bijvoorbeeld een permanente magneet. Bij grootschalige toepassingen komen ook supergeleidende magneten in aanmerking. Daarmee kost het opwekken van magneetvelden geen energie of vrijwel geen energie. Met deze nuance: als je supergeleidende magneten gebruikt, moet je natuurlijk wel de supergeleiders koelen, en dat kost je toch weer energie.”

Als het apparaat opwarmt en afkoelt, heb je de warmte en koude ter plekke in je apparaat. Maar de koude moet natuurlijk in je koelkast komen. Brück: “Daarvoor wordt dan in het algemeen water gebruikt, bij toepassingen in de buurt van kamertemperatuur, of water met antivries, als je naar hele lage temperaturen wil, bijvoorbeeld in een vriezer – voor bijvoorbeeld airconditioners zou dat niet nodig zijn. En daarbij moet je opletten dat al de leidingen enzovoorts geen grote drukval produceren, want dat kost je extra energie. Maar daar kom ik meteen ook weer op een voordeel van een magnetische koelkast. In een gewone koelkast werk je toch op een paar bar. De koelkast van de toekomst werkt niet meer met koolwaterstoffen, maar met bijvoorbeeld CO₂: dan is een paar bar zelfs niet genoeg, en moet je naar heel hoge drukken gaan om efficiënt te kunnen koelen. Dat betekent dat je dan vrij dikke leidingen moet gebruiken voor het transport van je warmte. Welnu, in het geval van een magnetische koelkast gaat het om druk in de buurt van één atmosfeer. Je kan dus in principe zelfs in plastic leidingen je warmte transporteren. Ook dat zou een voordeel zijn.”

Prijskaartje

De intrede van magnetische koelkasten is er nog niet gekomen: “Reden is dat die op dit moment nog wat duurder is. De grootste kostenpost is de magneet. Voor het opwekken van een magneetveld in de huidige prototypes wordt toch in de grootteorde van één Tesla gewerkt. Het gaat dus over een redelijk groot magneetveld. Permanente magneten kunnen dat opwekken, maar ze worden vandaag in heel veel toepassingen gebruikt: elektrische auto’s, offshore windmolens, enzovoorts. Op dit moment kosten ze vaak 50 tot 100 euro per kilogram. Als je dan anderhalve kilo magneet nodig hebt om je koelkast te bedrijven, heb je snel iets meer dan 100 euro geïnvesteerd. Dat terwijl de huidige compressor ongeveer 50 euro kost. Daarom proberen we er nu voor te zorgen dat het systeem met lagere veldsterktes kan werken, zodat we een compacter en goedkoper model krijgen.”

Voor groot en klein

Voor welke toepassingen zou zo’n koelkast het meest geschikt zijn? “Je kan aan veel verschillende toepassingen denken. Het eerste demonstratie-apparaat deed dienst als wijnkoeler. Als je hele dure wijn hebt, wil je die niet al te veel schudden, en een compressor levert toch altijd wat vibraties op. Maar een magnetische koelkast maakt geen trillingen en is uitermate stil. Dat zo’n apparaat zeer stil is, komt ook nog goed van pas als de wijnkoelkast in een restaurant staat, of in een woonkamer, want daar wil je geen last van geluiden. Een interessante toepassing zou ook zijn in hotels. Daar is het niet aangenaam als je de koelkast en airconditioner goed hoort. Voorts kunnen zo’n magnetocalorische systemen helpen minder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen zoals gas.”

Dan zijn er nog warmtepompen: ”Daarmee kan je efficiënt je huis warmhouden, maar helaas zijn ze soms niet bepaald stil. Als je geen kelder hebt, is dat lastig. Nu is het magnetocalorische effect niet alleen geschikt om koude mee te maken, maar ook warmte. Dus ook als alternatief voor de huidige warmtepompen heeft het potentieel. Tenslotte is de technologie niet alleen bruikbaar op kleine schaal, maar ook op grote.”

Als je supergeleidende magneten gebruikt, kan je het ook inzetten voor industriële toepassingen, met hele hoge vermogens. “Meer nog: in dat geval wordt de terugverdientijd zelfs korter. Bijvoorbeeld halen de huidige koelkasten circa 30% van de Carnotefficiëntie. Maar magnetocalorische koelers komen aan 50%. De hogere aanschafprijs van een magnetocalorisch systeem zou daardoor bij hogere vermogens sneller terugverdiend zijn.”

De doorbraak is er nog niet gekomen. Brück is er evenwel van overtuigd dat die zal komen, als een van de alternatieven voor de huidige systemen. “Als we daar nog een beetje aan doorwerken, denk ik dat we daarmee een hele mooie milieuwinst kunnen maken. Dan heb ik het nog niet over andere voordelen, zoals de stilte ervan. Als de technologie nog wat meer op punt staat, kan ik me dan ook een aardige productie van dit soort apparaten voorstellen.”

Door: Koen Vandepopuliere

Foto’s: TU Delft

www.tudelft.nl

“Het magnetocalorische effect is niet alleen geschikt om koude mee te maken, maar ook warmte.”