DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401739
تاريخ النشر: 2024-08-30
المؤلف: Katja Klinar وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية وخصائص النقل للبيروفسكايت والمواد ذات الصلة
نظرة عامة
تستعرض هذه الورقة وجهة النظر المشهد الحالي للبحث والابتكار في المواد المغناطيسية الحرارية، والمغناطيسية الحرارية، والحرارية الكهربائية، والحرارية الكهربائية، بما في ذلك أشكالها المدمجة المعروفة باسم المواد متعددة الحرارة والحرارية المتعددة. تؤكد على إمكانياتها في تحويل التطبيقات في التبريد، والتسخين، وجمع الطاقة. يلخص المؤلفون التقدمات الأخيرة ويحددون التحديات الرئيسية التي تعيق التنفيذ الواسع النطاق لهذه التقنيات. يتم اقتراح خارطة طريق تكنولوجية، تم تطويرها بمشاركة من خبراء في هذا المجال، تهدف إلى توجيه البحث المستقبلي نحو التغلب على هذه الحواجز وتحقيق تقدم كبير بحلول عام 2040. تؤكد خارطة الطريق على ضرورة التركيز على المواد التي لم يتم استكشافها بشكل كافٍ والتعاون بين التخصصات لتسهيل تقليل كبير في انبعاثات الكربون.
في الخاتمة، تسلط الورقة الضوء على الدور الحاسم للتسخين، والتبريد، واستعادة الحرارة المهدرة في قطاع الطاقة، الذي يمثل نصف استهلاك الطاقة العالمي. على الرغم من وجود تقنيات مختلفة للتبريد ومضخات الحرارة، تعتبر التقنيات الحرارية والمغناطيسية ضرورية لتحويل الطاقة في المستقبل. يشير المؤلفون إلى أن تطوير هذه الأنظمة المعقدة يتطلب عادةً جدول زمني طويل، وغالبًا ما يتم التقليل من تقديره في تخطيط البحث. يدعون إلى البحث المستهدف في مجالات محددة حيث يمكن لهذه التقنيات أن تتفوق، مع معالجة المخاوف البيئية المتعلقة بمصادر المواد وتأثيرات دورة الحياة. تختتم الورقة بتوصيات للمجتمع البحثي للابتكار وتجنب التكرار، مما يسرع من التقدم واستعداد السوق للتقنيات الحرارية والمغناطيسية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الكبير للتسخين والتبريد في استهلاك الطاقة العالمي، حيث يمثلان ما يقرب من 50% من استخدام الطاقة النهائية، مع مساهمة العمليات الصناعية والمباني بشكل متساوٍ. تعتبر هذه التطبيقات مصادر رئيسية لتلوث الهواء ويمثلان أكثر من 40% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية. من المتوقع أن يتضاعف الطلب على التبريد وتكييف الهواء، الذي يبلغ حاليًا حوالي 17% من استهلاك الكهرباء العالمي، بحلول عام 2050، إلى جانب النمو المتوقع في تقنيات مضخات الحرارة. علاوة على ذلك، من المتوقع أن يؤدي ما يقرب من 50% من استهلاك الطاقة العالمي السنوي إلى حرارة مهدرة بحلول عام 2030، مع حدوث جزء كبير منها عند مستويات درجات حرارة منخفضة.
يؤكد النص على الإمكانية لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال تقنيات التسخين والتبريد الموفرة للطاقة، والمواد المبردة الصديقة للبيئة، واستعادة الحرارة المهدرة. بينما تظل تقنية ضغط البخار هي التقنية السائدة للتسخين والتبريد، تواجه تحديات تتعلق بالأثر البيئي والكفاءة. تقدم التقنيات البديلة، مثل دورات رانكين العضوية (ORCs) وتقنيات الامتصاص، كفاءات ونطاقات تشغيل متباينة ولكنها تقدم أيضًا قيودًا محددة. تختتم المقدمة بمناقشة التقنيات الناشئة ذات الحالة الصلبة، مثل التبريد والتسخين الحراري، التي تعد بكفاءة طاقة أعلى وفوائد بيئية بسبب عملياتها القريبة من العكس وغياب تسرب المبردات. يتم اقتراح خارطة طريق لتطوير التكنولوجيا بحلول عام 2040، تركز على المواد المبتكرة والتطبيقات في إدارة الطاقة الحرارية.
طرق
تحدد قسم “الطرق” المبادئ الديناميكية الحرارية التي تحكم المواد المغناطيسية الحرارية/المغناطيسية الحرارية والحرارية الكهربائية/الحرارية الكهربائية. يستخدم تدوين موحد لوصف السلوكيات الحرارية والميكانيكية والاستقطابية لهذه المواد الفيرويكية، التي تتميز بدرجة الحرارة \( T \)، والإنتروبيا \( S \)، والحقل \( \Phi \)، والاستقراء \( I \). يتم تعريف الاستقراء \( I \) كالتالي: \( I = \kappa \Phi + \Pi \)، حيث تمثل \( \Pi \) الاستقطاب، و\( \kappa \) هو ثابت. يميز القسم بين التأثيرات الحرارية، التي تتضمن تغييرات في درجة الحرارة بسبب الحقول الخارجية، والتأثيرات الحرارية، التي تنتج عن تغيرات درجة الحرارة مع مرور الوقت. يتم تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية لاشتقاق العلاقات بين الطاقة الداخلية، والحرارة، والشغل، مما يؤدي إلى معادلات تصف المعادلات الحرارية والفيرويكية للحالة.
تؤكد المناقشة أيضًا على أهمية تحديد مقاييس الأداء لتقنيات تحويل الطاقة الحرارية والحرارية، مثل معامل الأداء (COP) لأجهزة التبريد والتسخين. تسلط الضوء على ضرورة تضمين جميع أشكال إدخال العمل في هذه التعريفات لتجنب الاستنتاجات المضللة. بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم أهمية كفاءة الطاقة، التي تقيس الطاقة المفيدة المنتجة بالنسبة للطاقة المدخلة، ويؤكد على أهمية مراعاة درجات حرارة مصادر الحرارة والمصارف في هذه التقييمات. بشكل عام، توفر الطرق المقدمة إطارًا شاملاً لتحليل السلوك الديناميكي الحراري للمواد الحرارية والحرارية، مما يسهل تطبيقها في تقنيات تحويل الطاقة.
مناقشة
في قسم المناقشة من الورقة البحثية، يستعرض المؤلفون التقدمات الأخيرة في الأجهزة الحرارية، بما في ذلك المواد المغناطيسية الحرارية، والحرارية الكهربائية، والحرارية الكهربائية، مع تسليط الضوء على نقص النماذج الأولية في مجال المواد متعددة الحرارة. يشيرون إلى الأدبيات الشاملة حول مختلف المواد الحرارية وتطبيقاتها، مشيرين إلى دراسات هامة تقارن كفاءة أنظمة الحرارة المختلفة وتستكشف أساليب النمذجة العددية. تشمل النتائج الرئيسية تحسين الأجهزة المغناطيسية الحرارية باستخدام تقنيات متقدمة مثل تحسين الشكل للمغناطيسات الدائمة واستكشاف المغناطيسات الكهربائية الدائمة الهجينة، التي أظهرت كفاءات طاقة واعدة.
كما يؤكد المؤلفون على أهمية عناصر التحكم الحراري، مثل المفاتيح الحرارية والصمامات، في تعزيز أداء الأجهزة الحرارية. يناقشون إمكانية دمج هذه العناصر في الأنظمة الحرارية لتحسين كثافة الطاقة وكفاءة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، توضح الورقة التقدم في المحركات والمولدات المغناطيسية الحرارية، فضلاً عن تقنيات التبريد الحرارية الكهربائية، التي شهدت نشاط بحث محدود مقارنة بأنظمة المغناطيسية الحرارية. تختتم القسم بمناقشة حول الأجهزة الهجينة التي تجمع بين مبادئ فيزيائية متنوعة، مما يشير إلى اتجاه نحو حلول مبتكرة يمكن أن تتغلب على قيود التقنيات الحالية وتحسن الأداء العام للنظام.
DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401739
Publication Date: 2024-08-30
Author(s): Katja Klinar et al.
Primary Topic: Magnetic and transport properties of perovskites and related materials
Overview
This perspective paper reviews the current landscape of research and innovation in magnetocaloric, pyromagnetic, electrocaloric, and pyroelectric materials, including their combined forms known as multicaloric and multipyro materials. It emphasizes their potential to transform applications in cooling, heating, and energy harvesting. The authors summarize recent advancements and identify key challenges that impede the widespread implementation of these technologies. A technology roadmap is proposed, developed with input from experts in the field, aiming to guide future research towards overcoming these barriers and achieving significant advancements by 2040. The roadmap underscores the necessity of focusing on under-explored materials and interdisciplinary collaboration to facilitate substantial reductions in carbon emissions.
In the conclusion, the paper highlights the critical role of heating, cooling, and waste heat recovery in the energy sector, which accounts for half of global energy consumption. Despite the existence of various cooling and heat pump technologies, caloric and pyrotechnologies are deemed essential for future energy conversion. The authors note that the development of these complex systems typically requires a lengthy timeline, often underestimated in research planning. They advocate for targeted research in specific niches where these technologies can excel, while also addressing environmental concerns related to material sourcing and lifecycle impacts. The paper concludes with recommendations for the research community to innovate and avoid redundancy, thereby accelerating the progress and market readiness of caloric and pyrotechnologies.
Introduction
The introduction highlights the significant role of heating and cooling in global energy consumption, accounting for nearly 50% of end-energy use, with industrial processes and buildings contributing equally. These applications are major sources of air pollution and over 40% of global CO₂ emissions. The demand for refrigeration and air conditioning, currently at approximately 17% of global electricity consumption, is projected to triple by 2050, alongside expected growth in heat pump technologies. Furthermore, it is anticipated that nearly 50% of annual global energy consumption will result in waste heat by 2030, with a substantial portion occurring at low temperature levels.
The text emphasizes the potential for reducing CO₂ emissions through energy-efficient heating and cooling technologies, environmentally friendly refrigerants, and waste heat recovery. While vapor compression remains the dominant technology for heating and cooling, it faces challenges related to environmental impact and efficiency. Alternative technologies, such as organic Rankine cycles (ORCs) and sorption technologies, offer varying efficiencies and operational ranges but also present specific limitations. The introduction concludes by discussing emerging solid-state technologies, such as caloric cooling and heating, which promise higher energy efficiency and environmental benefits due to their near-reversible processes and lack of refrigerant leakage. A roadmap for technology development by 2040 is proposed, focusing on innovative materials and applications in thermal energy management.
Methods
The section on “Methods” outlines the thermodynamic principles governing magnetocaloric/pyromagnetic and electrocaloric/pyroelectric materials. It employs a unified notation to describe the thermal, mechanical, and polarization behaviors of these ferroic materials, characterized by temperature \( T \), entropy \( S \), field \( \Phi \), and induction \( I \). The induction \( I \) is defined as \( I = \kappa \Phi + \Pi \), where \( \Pi \) represents polarization, and \( \kappa \) is a constant. The section distinguishes between caloric effects, which involve temperature changes due to external fields, and pyro effects, which result from temperature variations over time. The first law of thermodynamics is applied to derive relationships between internal energy, heat, and work, leading to equations that describe the thermal and ferroic equations of state.
The discussion further emphasizes the importance of defining performance metrics for caloric and pyro energy conversion technologies, such as the coefficient of performance (COP) for cooling and heating devices. It highlights the necessity of including all forms of work input in these definitions to avoid misleading conclusions. Additionally, the section addresses the significance of exergy efficiency, which measures the useful energy produced relative to the energy input, and stresses the importance of considering the temperatures of heat sources and sinks in these evaluations. Overall, the methods presented provide a comprehensive framework for analyzing the thermodynamic behavior of caloric and pyro materials, facilitating their application in energy conversion technologies.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors review recent advancements in caloric devices, including magnetocalorics, electrocalorics, and pyroelectrics, while highlighting the lack of prototypes in the multicaloric domain. They reference comprehensive literature on various caloric materials and their applications, noting significant studies that compare the efficiency of different caloric systems and explore numerical modeling approaches. Key findings include the optimization of magnetocaloric devices using advanced techniques such as topology optimization of permanent magnets and the exploration of hybrid electro-permanent magnets, which have shown promising energy efficiencies.
The authors also emphasize the importance of thermal control elements, such as thermal switches and diodes, in enhancing the performance of caloric devices. They discuss the potential of integrating these elements into caloric systems to improve power density and energy efficiency. Additionally, the paper outlines the progress in pyromagnetic motors and generators, as well as electrocaloric cooling technologies, which have seen limited research activity compared to magnetocaloric systems. The section concludes with a discussion on hybrid devices that combine various physical principles, indicating a trend towards innovative solutions that could overcome the limitations of existing technologies and improve overall system performance.