De koelgassen die tegenwoordig in airconditioners en koelkasten zitten, dragen aanzienlijk bij aan de opwarming van de aarde of zijn gevaarlijk in het gebruik. Bowei Huang en Michael Maschek van het Delftse bedrijf Magneto werken aan een veilig en milieuvriendelijk alternatief voor koeling: een vast materiaal voor warmtepompen.
Bowei Huang, van oorsprong mechatronica ingenieur, en materiaalwetenschapper Michael Maschek richtten in 2019 Magneto op – een spin-off van de TU Delft. “Als we het over de opwarming van de aarde hebben, denken we aan transportmiddelen als auto’s of aan elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen verstoken”, zegt Maschek. “Maar meer dan tien procent van die opwarming wordt veroorzaakt door het energieverbruik van koelsystemen en door de koelgassen die uit airconditioners en koelkasten lekken en in de atmosfeer belanden. Koelsystemen dragen ruim driemaal zoveel bij aan de klimaatverandering dan de lucht- en scheepsvaart tezamen.”
Huang en Maschek leerden elkaar kennen in de FAME-groep aan de afdeling Radiation, Science and Technology (RST) van het TU Delft Reactor Instituut, waar ze onderzoek deden naar magnetische verwarming en koeling. “We bieden een alternatief voor koelgassen in de vorm van een vast materiaal, zodat het niet bijdraagt aan de opwarming van de aarde en er ook geen sprake is van gassen onder hoge druk, met alle gevaren van dien”, legt Maschek uit. Voormalig promovendus Huang: “Ik koos voor het onderzoeksveld van magnetische koeling omdat ik echt denk dat deze geavanceerde technologie de wereld kan veranderen. Ik realiseerde me dat ik met academisch onderzoek niet verder kon komen als ik echt een bijdrage wilde leveren aan de transitie naar veilige en milieuvriendelijke koeltechnieken en die technieken geschikt wilde maken voor de industrie.”
Een eeuw van gevaarlijke koelmiddelen
Honderd jaar geleden gebruikte de koelindustrie natuurlijke gassen als propaan en ammoniak als koelmiddel. Toen duidelijk werd dat deze gassen gevaarlijk in het gebruik waren (propaangas is brandbaar en ammoniak is giftig), begon de industrie te werken aan de ontwikkeling van nieuwe koelgassen. Later werd ontdekt dat deze nieuwe gassen – zogenaamde hydrochloorfluorkoolstofverbindingen (HCFK’s) – gaten in de ozonlaag rondom de aarde veroorzaakten. De huidige generatie koelgassen bestaan uit hydrofluorkoolstofverbindingen (HFK’s). Deze gassen zijn weliswaar niet schadelijk voor de mens of de ozonlaag, maar wel zeer krachtige broeikasgassen; het broeikaseffect van sommige van deze gassen kan een factor 10.000 krachtiger zijn dan dat van CO2.
In 2016 sprak een groot aantal landen met het zogenaamde ‘Amendement van Kigali’ af om het gebruik van HFK’s gefaseerd uit te bannen. Maschek: “De koelindustrie moest dus opnieuw natuurlijke gassen gaan gebruiken. In plaats van dat er een probleem was opgelost, schoof men het weer terug naar de consument, die opnieuw gevaar loopt. Zo beschikken supermarkten inmiddels over koelinstallaties met daarin CO2 onder zeer hoge druk, wat betekent dat ze kunnen exploderen als er een mankement aan de leidingen optreedt.”
Uniek materiaal
Als milieuvriendelijk alternatief voor koelgassen ontwikkelt Magneto een element voor warmtepompen op basis van een uniek magnetocalorisch materiaal dat is uitgevonden door professor Ekkes Brück. Maschek: “De bijzondere eigenschap van een magnetocalorisch materiaal is dat het magnetische energie heel efficiënt in warmte kan omzetten. We kunnen dit magnetocalorische effect gebruiken in zowel koel- als verwarmingssystemen.” Hun materiaal bestaat uit een poeder dat ze met behulp van een 3D-printer in een gaasvormige structuur uitprinten. Door zo’n gaasstructuur in een roterende magneet te plaatsen en er water doorheen te laten stromen, kunnen ze warmte van de ene locatie naar de andere pompen.
Het Magneto-materiaal heeft de unieke eigenschap dat het geen van de zeldzame metalen bevat die vaak in andere materialen voor warmtepompen zijn te vinden, zoals gadolinium, terwijl het warmte toch even efficiënt transporteert als materialen die wel bestaan uit deze zeldzame aardmetalen. Het magnetocalorische poeder werkt zelfs in een veel groter temperatuurbereik dan de meeste materialen voor warmtepompen. “Onze component voor warmtepompen bestaat uit mangaan, ijzer, fosfor en silicium – stuk voor stuk elementen die in overvloed beschikbaar zijn op aarde. Daarom zijn we voor het produceren van onze componenten voor warmtepompen niet afhankelijk van de toch al sterk slinkende voorraden aan zeldzame aardmetalen”, zegt Huang.
Pilotstudies in supermarkten
“We zijn nu van plan om in samenwerking met de installateur van koeltechniek voor een van de grootste supermarktketens van Nederland een pilotstudie te verrichten”, zegt Huang. “Supermarkten hebben veel last van de nieuwe regelgeving voor koelgassen en willen natuurlijk ook hun klanten en personeel niet in gevaar brengen. Vandaar dat ze voor 2024 en 2025 een pilotstudie met onze warmtepomp hebben gepland”, zegt Maschek. “Aangezien het om nieuwe technologie gaat, zullen de aanschafkosten van ons systeem misschien enkele malen hoger liggen dan die van de huidige installaties, maar als je rekening houdt met het feit dat ons systeem tot wel dertig procent minder energie verbruikt en minder onderhoud vergt, dan zullen de totale kosten gedurende de hele levensduur van het apparaat uiteindelijk veel lager uitvallen.”
Magneto onderzoekt ook de mogelijkheid een koelsysteem te ontwikkelen voor de elektrische voertuigen van online-winkels en transporteurs van producten van de koudeketen. “Deze afnemers zijn zeer geïnteresseerd in ons systeem, want als ze hiermee dertig procent aan elektriciteitskosten kunnen besparen, kunnen ze met hun bestel- en vrachtwagens dertig procent meer afstand afleggen en aan meer klanten leveren.”
Schat aan kennis
Magneto is via het werk van Ekkes Brück voortgekomen uit een samenwerkingsverband tussen het chemiebedrijf BASF en de TU Delft. “We bouwen voort op tien jaar aan research van de TU Delft en BASF, dus zijn we begonnen met een schat aan kennis over magnetocalorische materialen”, zegt Maschek. Via de startup incubator Delft Enterprises zijn Maschek en Huang nog altijd betrokken bij de onderzoeksgroep van Brück. Ze werken samen op het gebied van onderzoek, het uitrollen van nieuwe technologieën en het werven van fondsen voor nieuwe projecten. “We willen onze banden met de groep behouden, want het is onze kennisbasis voor nieuwe ontwikkelingen”, zegt Huang.
Dankzij de overeenkomst met Brück kan Magneto tegen een speciaal tarief voor startups gebruikmaken van apparatuur bij het RST voor magnetische metingen en röntgenmetingen. Met behulp van de twee instrumenten kunnen Magneto-onderzoekers vaststellen of een materiaal geschikt is voor toepassing en de kwaliteit van materialen analyseren. “Omdat we een ‘Deep-Tech’-bedrijf zijn, hebben we veel dure apparaten nodig om zeer fundamentele fysische, chemische en structurele eigenschappen van materialen te kunnen beoordelen. We moeten ons geld verstandig gebruiken, en dan helpt het zeker als we deze apparaten als dienstverlening van de TU Delft kunnen gebruiken”, zegt Maschek.
Droomhuis
Dankzij de eerste investering die Magneto eerder dit jaar heeft ontvangen, maken Huang en Maschek nu een kant-en-klaar element voor warmtepompen dat van het unieke, 3D-geprinte materiaal is vervaardigd. Hun volgende doel is om een prototype voor een warmtepomp te bouwen. “Uiteindelijk is het onze droom om de hele waardeketen in huis te hebben bij Magneto, zodat we over alle knowhow beschikken en ervoor kunnen zorgen dat het product veilig is en we het in allerlei klantgerichte toepassingen kunnen verwerken”, zegt Huang.
Maschek stelt zich een droomhuis voor dat alleen gebruik maakt van een magnetocalorische warmtepomp. “In plaats van drie verschillende soorten apparaten te gebruiken, zoals een boiler, een warmtepomp en airconditioning, zouden de bewoners hun huis dan met één apparaat kunnen verwarmen én koelen en daarbij eenvoudig kunnen overstappen van verwarming in de winter naar airconditioning in de zomer.” Zo’n apparaat zou heel stil kunnen werken, legt Huang uit: “Normaliter maken compressoren hoogfrequente geluiden wanneer ze gas tot vloeistof samenpersen. Maar ons apparaat gebruikt alleen een roterende magneet en een waterpomp, dus in principe kunnen we het heel stil maken. Dat betekent dat je geen grote apparaten buitenshuis hoeft te installeren.”
Magneto B.V.
Molengraaffsingel 10
2629 JD Delft
Nederland
Website: https://magneto.systems/
E-mail: info@magneto.systems
Headerbeeld:
Het materiaal van Magneto op atoomniveau; de kleuren geven de verdeling van elektronen aan.
