Kaloriset materiaalit rakennuksen jäähdytyksessä – ”Teknologia mahdollistaisi ensimmäisten täysin hiilineutraalien lämpöpumppujen kehittämisen”

Rene Helenius on aina ollut kiinnostunut kylmätekniikasta. Kun ammattikorkeakoulun opinnot olivat edenneet siihen pisteeseen, että lopputyö oli ajankohtainen, hänellä ei ollut aihetta.

– Törmäsin Youtubessa videoon, jossa kerrottiin kalorisista materiaaleista ilmaston lämpenemiseen liittyvän paradoksin yhteydessä. Huomasin, että aiheesta ei ole julkaistu yhtään suomenkielistä tutkimusta ja innostuin.

Aihe on suomenkielisessä ympäristössä niin uusi, että Helenius muodosti uusia suomenkielisiä sanoja työhönsä.

– Esimerkiksi kaloriset materiaalit on suora suomennos termistä caloric materials. Jos en löytänyt mitään vastinetta jollekin englanninkieliselle sanalle, niin tein oman suomennoksen. 

Kaloriset materiaalit ovat aineita, jotka kokevat merkittäviä muutoksia sisäisessä entropiassaan sekä isentrooppisessa lämpötilassaan, kun materiaaliin kohdistetaan jokin ulkoinen vaikuttava kenttä tai voima. Tämän ominaisuuden ansiosta ne tarjoavat vaihtoehdon perinteisille kylmäaineille mahdollistaen jäähdytyslaitteiden toiminnan ilman tavanomaisia kylmäaineita ja muita perinteisiä komponentteja, kuten kompressoreita. 

Kaloriset materiaalit ovat luonnostaan kiinteitä aineita, joten laiterikon sattuessa mitään haitallisia aineita ei pääse ilmakehään. Näitä materiaalien ja eri kenttien välisiä vuorovaikutuksia kutsutaan yleisemmin nimellä kaloriset ilmiöt.

– Kalorisiin materialeihin perustuva teknologia mahdollistaisi ensimmäisten täysin hiilineutraalien lämpöpumppujen kehittämisen. Ne olisivat vuotovarmoja, tehokkaita, tilaa säästäviä, hiljaisia ja käyttöturvallisia, Helenius sanoo.

Yhtenäinen laskentamalli puuttuu

Kaloriset materiaalit voidaan jakaa neljään päätyyppiin: magnetokalorinen, barokalorinen, elektrokalorinen ja elastokalorinen materiaali.

– Yksinkertaisin esimerkki kalorisesta järjestelmästä on luonnonkuminauha. Luonnonkumi omaa sekä barokalorisia että elastokalorisia ominaisuuksia. Nopeasti kuminauhaa venyttämällä voidaan todeta, että kuminauhan keskiosa lämpenee huomattavan paljon. Reaktio tapahtuu päinvastaiseen suuntaan, kun kuminauha vapautetaan venytyksestä nopeasti.

Helenius sanoo, että haasteena on se, että täydellisiä materiaaleja ei ole vielä kehitetty. Teknologian haasteena on se, että vaihtoehtoja on paljon.

– Erilaisia metalliseoksia, joita voidaan hyödyntää, on tuhansia kappaleita. Jos aikajännettä pitäisi arvioida, niin sanoisin, että 10–15 vuoden päästä on löydetty ne materiaalit, jotka ovat soveltuvia ilman haittapuolia.

– Teknologialle ei ole myöskään kehitetty yhtenäistä laskentamallia, mikä hidastaa kehitystyötä.

Hystereesiin tarvitaan ratkaisu

Lisäksi hystereesiin eli muutoshitauteen tarvitaan vielä ratkaisu.

– Otetaan aikaisemman esimerkin kuminauha ja venytetään kuminauha jälleen kerran. Hystereesi kuvaa tässä tapauksessa ajallista eroa kuminauhan venyttämisestä siihen, että se saavuttaa niin sanotun ”huippuarvonsa”.

Helenius sanoo, että vaikka järjestelmässä olisi hystereesiä suhteellisen vähän, esimerkiksi 0,1 prosenttia, niin se tiputtaa järjestelmän hyötysuhdetta todella paljon.

– Olen työssäni maininnut muutamia potentiaalisia ratkaisuja. Esimerkkinä mainittakoon, että kehitettäisiin sitkeämpiä materiaaleja tai hyödynnettäisiin epätasapainotiloja nollaamaan hystereesin vaikutusta.

Kaloriset materiaalit jaetaan ensimmäisen asteen ja toisen asteen materiaaleihin. Toisen asteen materiaalit eivät kärsi hystereesistä lainkaan.

– Ensimmäisen asteen faasimuutos, se mikä kokee hystereesihäviötä, on yleisin faasimuutoksen muoto, eli se tapahtuu suoraan ilman välivaiheita. Esimerkiksi veden sulaminen: jää sulaa lämmön vaikutuksesta vedeksi. Toisen asteen materiaalin sisäisen lämpöenergian määrä ei muutu faasimuutoksen aikana, vaan se säilyttää termodynaamisen tasapainonsa jatkuvasti.

Jos en löytänyt mitään vastinetta jollekin englanninkieliselle sanalle, niin tein oman suomennoksen.

Teknologia on niin uutta, että sitä on maailmanlaajuisesti tutkittu vasta kymmenisen vuotta. Helenius uskoo, että tulevaisuudessa kaloriset materiaalit voivat mullistaa jäähdytysteknologian, erityisesti jos tutkimus ja kehitys jatkuvat yhtä intensiivisesti kuin viime vuosina. Suomessa ei kalorisia materiaaleja tutkita vielä lainkaan.

– Jos Suomesta käsin katsotaan maantieteellisiä etäisyyksiä, niin Ruotsi ja Tanska ovat lähimmät maat, joissa tutkimusta tehdään. Johtavia maita tutkimuksessa ovat Kiina ja Iso-Britannia. Ranskassa IIR eli International Institute of Refrigeration on tuottanut useita erilaista raportteja aiheesta.

Testattu jo Tanskassa

Helenius kertoo, että esimerkiksi Tanskassa on valmistettu magnetokalorinen lämpöpumppu, ja se on ollut testikäytössä asuinrakennuksessa. Se on kehitetty tutkimusmielessä.

Helenius itse päätyi aiheen pariin Youtubesta löytämänsä klipin avulla.

– Sen sisällössä käsiteltiin paradoksia, joka liittyy siihen, että ilmasto lämpenee, ja ihmisillä on omissa kodeissaan kuuma. Kotia halutaan jäähdyttää, joten asennetaan lämpöpumppu. Kotia saadaan jäähdytettyä, mutta laiterikon sattuessa kylmäaineet valuvat ympäristöön. Ilmasto lämpenee entisestään, kotia pitää jäähdyttää entistä enemmän, ja kierre on loputon noidankehä. Uskon, että kaloristen materiaalien avulla on erittäin hyvä mahdollisuus saada kierre katkaistua.

Helenius mainitsee, että nollapäästöisiä kylmäaineita on jo olemassa, mutta niillä kaikilla on omat ongelmansa.

– On esimerkiksi huonompaa lämmönsiirtokykyä tai räjähdysherkkyyttä. HFO-kylmäaineet eivät haihtuessaan aiheuta kasvihuonepäästöjä, mutta ne muodostavat etikkahappoa, joka on erittäin myrkyllistä vesikasveille. Muistetaanhan, että levät ovat kaikista tärkeimpiä hiilinieluja. 

Kaloristen materiaalien huonot puolet riippuvat pitkälti siitä, mihin niiden kehityksessä keskitytään.

– Jos jostain syystä päädyttäisiin kehittämään pelkästään lyijypohjaisia materiaaleja, niin koko idea voidaan heittää roskakoppaan. Mutta jos kehitystyö keskittyy hyödyntämään esimerkiksi luonnonkumia, niin silloin ei ongelmia luultavasti tule.

Energiatehokkaita materiaaleja

Helenius lisää, että sen lisäksi että materiaalit ovat päästöttömiä, ne ovat energiatehokkaita.

– Laitteet pystyvät teoreettisesti huomattavasti suurempiin kokonaishyötysuhteisiin kuin perinteiset teknologiat. Vaikka käytettäisiin 100-prosenttisen tehokasta kompressoria, niin se ei pysty kilpailemaan energiatehokkuudessa kaloristen materiaalien kanssa.

Mitä sitten esimerkiksi Suomessa pitäisi tapahtua, että kaloriset materiaalit saataisiin käyttöön?

– Esimerkiksi Aalto-yliopisto, tai joku muu yliopisto, joka toimii talotekniikan saralla, voisi lähteä tekemään kehitysyhteistyötä alan laitevalmistajien kanssa. Pitäisi luoda lämpöpumppualalla toimivien tahojen kesken klusteri, missä teknologiaa lähdettäisiin kehittämään yhdessä. 

Heleniuksen työ on vasta alkua kaloristen materiaalien tutkimukselle.

– Tämä teknologia vaatii vielä paljon kehitystä, erityisesti materiaalien kestävyyden ja kustannustehokkuuden parantamiseksi. Tähän mennessä kehitettyjen materiaalien haasteet, kuten niiden korkeat valmistuskustannukset ja monimutkaisuus, ovat vielä esteitä niiden laajemmalle käyttöönotolle.