Nguyên lý làm lạnh bằng hiệu ứng điện nhiệt

Công nghệ của Qurie dựa trên hiệu ứng electrocaloric – hiện tượng vật lý xảy ra trong một số vật liệu khi chúng thay đổi nhiệt độ dưới tác động của điện trường.

• Khi đặt điện trường vào vật liệu điện nhiệt, các lưỡng cực điện bên trong sắp xếp lại và vật liệu nóng lên.
• Khi loại bỏ điện trường, cấu trúc trở nên ít trật tự hơn và vật liệu lạnh xuống thấp hơn nhiệt độ ban đầu.

Bằng cách lặp lại chu trình này và truyền nhiệt giữa phía nóng và phía lạnh, hệ thống có thể hoạt động giống như bơm nhiệt hoặc thiết bị làm lạnh.

So với HVAC truyền thống, phương pháp này có vài khác biệt quan trọng:

• Làm lạnh được tạo ra nhờ vật liệu phản ứng với điện trường, thay vì nén môi chất lạnh.
• Hệ thống có thể dạng thể rắn với rất ít bộ phận chuyển động.
• Có thể sử dụng chất lỏng an toàn như nước để truyền nhiệt, thay cho các môi chất lạnh có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao.

Trong dự án nghiên cứu ElKaWe do Fraunhofer dẫn dắt, nhiều viện nghiên cứu đã cùng phát triển vật liệu điện nhiệt, kiến trúc thiết bị và các nguyên mẫu bơm nhiệt thế hệ mới.

Vai trò của hệ sinh thái nghiên cứu Fraunhofer

Công nghệ mà Qurie đang phát triển dựa trên nhiều năm nghiên cứu về hệ thống làm lạnh “caloric”. Tại Fraunhofer IPM, nhóm nghiên cứu về caloric systems tập trung vào các hệ thống làm nóng và làm lạnh sử dụng:

• vật liệu điện nhiệt (electrocaloric)
• vật liệu từ nhiệt (magnetocaloric)
• vật liệu đàn hồi nhiệt (elastocaloric)

Tất cả đều hướng tới hệ thống không cần môi chất lạnh độc hại.

Một phần quan trọng của nghiên cứu là thiết kế truyền nhiệt hiệu quả. Các nhà khoa học đang thử nghiệm những kiến trúc mới – ví dụ các khái niệm liên quan đến heat pipe tiên tiến – nhằm di chuyển nhiệt nhanh hơn giữa hai phía của thiết bị. Khả năng truyền nhiệt hiệu quả quyết định mức độ làm lạnh mà vật liệu điện nhiệt có thể cung cấp trong ứng dụng thực tế.

Nếu được thương mại hóa, bơm nhiệt điện nhiệt có thể kết hợp:

• hiệu suất cao
• vận hành không dùng môi chất lạnh
• thiết kế nhỏ gọn và yên tĩnh

Điều này có thể tạo ra sự thay đổi lớn so với hệ thống HVAC dựa trên máy nén hiện nay.

Những ứng dụng đầu tiên có thể xuất hiện

Dù vẫn đang trong giai đoạn phát triển, các chương trình nghiên cứu của Fraunhofer đã chỉ ra nhiều lĩnh vực ứng dụng tiềm năng cho công nghệ electrocaloric, bao gồm:

• Hệ thống sưởi và làm mát cho tòa nhà
• Tủ lạnh gia dụng và công nghiệp
• Điều hòa ô tô, đặc biệt cho xe điện

Các thị trường này đều có hai đặc điểm chung: nhu cầu làm lạnh rất lớn và áp lực ngày càng tăng trong việc loại bỏ môi chất lạnh gây hại cho khí hậu.

Đối với startup như Qurie, giai đoạn thương mại hóa ban đầu thường tập trung vào những ứng dụng mà thiết kế nhỏ gọn, độ ồn thấp hoặc hiệu suất cao mang lại lợi thế rõ rệt so với hệ thống máy nén.

Vì sao các quỹ đầu tư quan tâm tới công nghệ làm lạnh mới

Đưa công nghệ làm lạnh thể rắn ra thị trường không hề đơn giản. Nó đòi hỏi kết hợp giữa khoa học vật liệu, kỹ thuật hệ thống và sản xuất công nghiệp – những lĩnh vực thường cần nhiều năm nghiên cứu.

Ở Đức, các quỹ đầu tư gắn với hệ sinh thái nghiên cứu thường đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu:

• High‑Tech Gründerfonds (HTGF) là một trong những nhà đầu tư seed năng động nhất châu Âu, tập trung vào các startup deep‑tech xuất phát từ nghiên cứu khoa học.
• Tech‑Transfer Fund TT49 hỗ trợ các startup công nghệ xuất phát từ viện nghiên cứu, giúp họ vượt qua chu kỳ phát triển dài của deep‑tech.
• Chương trình HTGF cũng hoạt động trong khuôn khổ đổi mới sáng tạo của chính phủ Đức nhằm thúc đẩy thương mại hóa nghiên cứu.

Nguồn vốn từ các quỹ như vậy có thể giúp startup như Qurie chuyển đổi từ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm sang hệ thống có thể sản xuất và thương mại hóa.

Bức tranh lớn của đổi mới HVAC

Sưởi và làm lạnh chiếm một phần đáng kể trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Vì vậy, tăng hiệu suất của các hệ thống này được xem là yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng.

Bơm nhiệt đã là một giải pháp quan trọng khi kết hợp với điện tái tạo. Nhưng về lâu dài, các công nghệ làm lạnh thể rắn như electrocaloric có thể trở thành bước tiến tiếp theo, giúp giảm phụ thuộc vào máy nén và môi chất lạnh.

Nếu các startup như Qurie thành công trong việc biến các nguyên mẫu nghiên cứu thành sản phẩm quy mô lớn, cách chúng ta làm mát nhà cửa, phương tiện và thiết bị trong thập kỷ tới có thể thay đổi đáng kể.

Nguyên lý làm lạnh bằng hiệu ứng điện nhiệt

Công nghệ của Qurie dựa trên hiệu ứng electrocaloric – hiện tượng vật lý xảy ra trong một số vật liệu khi chúng thay đổi nhiệt độ dưới tác động của điện trường.

• Khi đặt điện trường vào vật liệu điện nhiệt, các lưỡng cực điện bên trong sắp xếp lại và vật liệu nóng lên.
• Khi loại bỏ điện trường, cấu trúc trở nên ít trật tự hơn và vật liệu lạnh xuống thấp hơn nhiệt độ ban đầu.

Bằng cách lặp lại chu trình này và truyền nhiệt giữa phía nóng và phía lạnh, hệ thống có thể hoạt động giống như bơm nhiệt hoặc thiết bị làm lạnh.

So với HVAC truyền thống, phương pháp này có vài khác biệt quan trọng:

• Làm lạnh được tạo ra nhờ vật liệu phản ứng với điện trường, thay vì nén môi chất lạnh.
• Hệ thống có thể dạng thể rắn với rất ít bộ phận chuyển động.
• Có thể sử dụng chất lỏng an toàn như nước để truyền nhiệt, thay cho các môi chất lạnh có tiềm năng gây nóng lên toàn cầu cao.

Trong dự án nghiên cứu ElKaWe do Fraunhofer dẫn dắt, nhiều viện nghiên cứu đã cùng phát triển vật liệu điện nhiệt, kiến trúc thiết bị và các nguyên mẫu bơm nhiệt thế hệ mới.

Vai trò của hệ sinh thái nghiên cứu Fraunhofer

Công nghệ mà Qurie đang phát triển dựa trên nhiều năm nghiên cứu về hệ thống làm lạnh “caloric”. Tại Fraunhofer IPM, nhóm nghiên cứu về caloric systems tập trung vào các hệ thống làm nóng và làm lạnh sử dụng:

• vật liệu điện nhiệt (electrocaloric)
• vật liệu từ nhiệt (magnetocaloric)
• vật liệu đàn hồi nhiệt (elastocaloric)

Tất cả đều hướng tới hệ thống không cần môi chất lạnh độc hại.

Một phần quan trọng của nghiên cứu là thiết kế truyền nhiệt hiệu quả. Các nhà khoa học đang thử nghiệm những kiến trúc mới – ví dụ các khái niệm liên quan đến heat pipe tiên tiến – nhằm di chuyển nhiệt nhanh hơn giữa hai phía của thiết bị. Khả năng truyền nhiệt hiệu quả quyết định mức độ làm lạnh mà vật liệu điện nhiệt có thể cung cấp trong ứng dụng thực tế.

Nếu được thương mại hóa, bơm nhiệt điện nhiệt có thể kết hợp:

• hiệu suất cao
• vận hành không dùng môi chất lạnh
• thiết kế nhỏ gọn và yên tĩnh

Điều này có thể tạo ra sự thay đổi lớn so với hệ thống HVAC dựa trên máy nén hiện nay.

Những ứng dụng đầu tiên có thể xuất hiện

Dù vẫn đang trong giai đoạn phát triển, các chương trình nghiên cứu của Fraunhofer đã chỉ ra nhiều lĩnh vực ứng dụng tiềm năng cho công nghệ electrocaloric, bao gồm:

• Hệ thống sưởi và làm mát cho tòa nhà
• Tủ lạnh gia dụng và công nghiệp
• Điều hòa ô tô, đặc biệt cho xe điện

Các thị trường này đều có hai đặc điểm chung: nhu cầu làm lạnh rất lớn và áp lực ngày càng tăng trong việc loại bỏ môi chất lạnh gây hại cho khí hậu.

Đối với startup như Qurie, giai đoạn thương mại hóa ban đầu thường tập trung vào những ứng dụng mà thiết kế nhỏ gọn, độ ồn thấp hoặc hiệu suất cao mang lại lợi thế rõ rệt so với hệ thống máy nén.

Vì sao các quỹ đầu tư quan tâm tới công nghệ làm lạnh mới

Đưa công nghệ làm lạnh thể rắn ra thị trường không hề đơn giản. Nó đòi hỏi kết hợp giữa khoa học vật liệu, kỹ thuật hệ thống và sản xuất công nghiệp – những lĩnh vực thường cần nhiều năm nghiên cứu.

Ở Đức, các quỹ đầu tư gắn với hệ sinh thái nghiên cứu thường đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu:

• High‑Tech Gründerfonds (HTGF) là một trong những nhà đầu tư seed năng động nhất châu Âu, tập trung vào các startup deep‑tech xuất phát từ nghiên cứu khoa học.
• Tech‑Transfer Fund TT49 hỗ trợ các startup công nghệ xuất phát từ viện nghiên cứu, giúp họ vượt qua chu kỳ phát triển dài của deep‑tech.
• Chương trình HTGF cũng hoạt động trong khuôn khổ đổi mới sáng tạo của chính phủ Đức nhằm thúc đẩy thương mại hóa nghiên cứu.

Nguồn vốn từ các quỹ như vậy có thể giúp startup như Qurie chuyển đổi từ nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm sang hệ thống có thể sản xuất và thương mại hóa.

Bức tranh lớn của đổi mới HVAC

Sưởi và làm lạnh chiếm một phần đáng kể trong tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Vì vậy, tăng hiệu suất của các hệ thống này được xem là yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển dịch năng lượng.

Bơm nhiệt đã là một giải pháp quan trọng khi kết hợp với điện tái tạo. Nhưng về lâu dài, các công nghệ làm lạnh thể rắn như electrocaloric có thể trở thành bước tiến tiếp theo, giúp giảm phụ thuộc vào máy nén và môi chất lạnh.

Nếu các startup như Qurie thành công trong việc biến các nguyên mẫu nghiên cứu thành sản phẩm quy mô lớn, cách chúng ta làm mát nhà cửa, phương tiện và thiết bị trong thập kỷ tới có thể thay đổi đáng kể.