Voedsel langer bewaren en zo weinig mogelijk verbruiken. Dit is het tweeledige doel dat de wetenschappelijke gemeenschap zich heeft gesteld bij de heruitvinding van een van de apparaten die het meeste elektriciteit verbruiken in huis. Al jaren integreren koelkasten die in Nederland worden verkocht nieuwe technologie zoals kunstmatige intelligentie om hun vermogen om het dagelijks leven van gezinnen gemakkelijker te maken te vergroten. Het systeem dat verantwoordelijk is voor het koelen van de binnenkant is de afgelopen jaren echter niet veel veranderd.
De koelkast is een van de apparaten die de elektriciteitsrekening het meest doen stijgen, niet omdat hij niet erg efficiënt is of veel energie verbruikt, maar omdat hij permanent in werking moet zijn.
Er zijn maar weinig huizen waar niet 24 uur per dag, 7 dagen per week een koelkast is aangesloten die elektriciteit verbruikt en warmte verliest via de achterkant. Daarom zijn er tal van projecten die deze warmte willen hergebruiken of nieuwe koelsystemen willen ontwikkelen.
In Spanje bijvoorbeeld heeft een team studenten van de Polytechnische Universiteit van Madrid een nieuw systeem bedacht om de energie van de koelkast te hergebruiken voor verwarming of om water te verwarmen voor de douche. Een paar jaar geleden presenteerde MIT een systeem dat de temperatuur met 25 graden verlaagde met nauwelijks energieverbruik. Nu komt de nieuwste innovatie van de Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China.
Het team wetenschappers dat dit project leidt, stelt voor om thermogalvanische koeling te gebruiken om de kosten van elektriciteitsrekeningen aanzienlijk te verlagen. Hun voorstel, zoals gedetailleerd beschreven in een artikel dat is gepubliceerd in het tijdschrift Joule, slaagt erin om de resultaten van eerder werk met thermogalvanische technologie te verbeteren door het koelvermogen met 70% te verhogen.
Er is echter nog een lange weg te gaan voordat het kan worden toegepast in commercieel verkrijgbare koelkasten. “Hoewel onze geavanceerde elektrolyt commercieel levensvatbaar is, moet er nog meer werk worden verricht op het gebied van systeemontwerp, schaalbaarheid en stabiliteit om de praktische toepassing van deze technologie te bevorderen,” zegt Jiangjiang Duan, hoofdauteur van het onderzoek.
Thermogalvanische koeling
Op dit moment wordt aan de meeste vraag naar koeling, of het nu gaat om koelkasten of airconditioners, voldaan door middel van dampcompressie en is afhankelijk van het gebruik van koelmiddelen. Deze systemen zijn over het algemeen veilig en er zijn manieren om koudemiddelen terug te winnen wanneer het systeem wordt ontmanteld. Als er echter een ongeluk gebeurt, produceren deze chemicaliën koolstofemissies en zijn ze schadelijk voor mens en milieu.
De onderzoekers van Huazhong kijken daarentegen naar thermogalvanische koeling, waarbij omkeerbare chemische reacties worden gebruikt om elektriciteit op te wekken om voedsel te koelen.
Normaal gesproken zetten thermogalvanische cellen warmte om in elektriciteit. Maar door het proces om te keren door een externe elektrische stroom toe te passen, waren de wetenschappers in staat om een koelingseffect te genereren. In eerdere onderzoeken leverde deze techniek resultaten op met weinig potentieel. De sleutel tot dit nieuwe project was het optimaliseren van de chemische samenstelling van het systeem en het verbeteren van de prestaties.
De chemische reactie die nodig is in de cyclus vereist de aanwezigheid van ijzerionen. In de eerste fase verliezen deze ionen een elektron en absorberen ze warmte. In de volgende fase winnen ze een elektron en geven ze warmte af. Dit helpt om de elektrolyt af te koelen. Dit helpt om de elektrolytoplossing die in het koelkastcircuit circuleert af te koelen, waardoor het voedsel wordt geconserveerd, terwijl de warmte die wordt gegenereerd in de tegenovergestelde reactie wordt afgevoerd door een koellichaam.
Om de prestaties te verbeteren, pasten de onderzoekers de componenten van de oplossing aan. Ze gebruikten een ijzerzout gehydrateerd met perchloraat, waardoor de ionen gemakkelijker uit elkaar gaan. Dit is de ideale methode om de koelcapaciteit van de hydrogalvanische cel te verbeteren.
Ze veranderden ook het oplosmiddel in het systeem en vervingen water door nitrillen. Door de ijzerzouten op te lossen, steeg de koelcapaciteit met 70%. Het verbeterde systeem slaagde erin de elektrolyttemperatuur met 1,42 K te verlagen, veel meer dan de 0,1 K die in eerdere onderzoeken naar thermogalvanische koeling werd gerapporteerd.
Het project is nog in ontwikkeling, maar er wordt al overwogen om nieuwe prototypes te ontwikkelen om de technologische innovatie te testen. “Hoewel onze geavanceerde elektrolyt commercieel levensvatbaar is, zijn er verdere inspanningen nodig op het gebied van ontwerp, schaalbaarheid en stabiliteit op systeemniveau om de praktische toepassing van deze technologie te bevorderen,” zegt Jiangjiang Duan, een van de hoofdauteurs van het onderzoek. Ze zijn ook een samenwerking aangegaan met bedrijven in de industrie om dit idee in de toekomst om te zetten in een reële optie voor huishoudens over de hele wereld.
Hoewel degenen die verantwoordelijk zijn voor de doorbraak zich richten op de toepassing ervan om het inwendige van koelkasten opnieuw uit te vinden, zou de ontwikkeling en evolutie van deze technologie uiteindelijk ook gevolgen kunnen hebben voor andere apparaten die het meeste verbruiken, airconditioners en warmtepompen.
Zowel in de zomer als in de winter staan deze apparaten urenlang aan in residentiële en industriële gebouwen over de hele wereld. Thermogalvanische technologie zou dus een enorme impact kunnen hebben op het dagelijks leven van miljoenen mensen en bijdragen aan de ontwikkeling van energie-efficiëntere en minder vervuilende apparatuur.
