OPLEIDING  
Install Magazine 1005 – november 2025

Onderzoek in Hong Kong opent deur naar thermo-elastische warmtepompen

Warmtepompen spelen een sleutelrol in de decarbonisatie van verwarming. Doorgaans zijn dat toestellen op basis van een dampcompressiecyclus. Ondanks hun sterke punten, hebben deze ook nadelen, denken we maar aan de hele koudemiddeldiscussie. Daarom wordt er in diverse kennisinstellingen onderzoek gedaan naar zogenaamde ‘solid state’ warmtepompen. Dat zijn warmtepompen waarbij er geen gebruik gemaakt wordt van een faseverandering in een koudemiddel, zoals bij de gangbare toestellen, maar van een alternatief principe. Onderzoekers aan de HKUST in Hong Kong hebben nu een legering ontwikkeld die de basis kan vormen voor warmtepompen volgens het thermo-elastisch effect. Dit zou toestellen met hoge afgifte-temperaturen en rendementen mogelijk maken.

Thermo-elastische warmtepompen

Het thermo-elastisch effect is het fenomeen dat materialen opwarmen als ze vervormd worden. Dit werd al beschreven in de negentiende eeuw, onder meer door Kelvin, Joule en Duhamel. In gangbare materialen is de opwarming echter te klein om tot een nuttige toepassing te leiden. Een team aan de HKUST in Hong Kong onder leiding van Sun Qingpinq en Li Qiao heeft nu nieuwe materialen ontwikkeld die een veel groter thermo-elastisch effect vertonen. Een van de resultaten is een legering waarbij een temperatuurverschil van 4-5 K optreedt. Volgens de onderzoekers kan dit leiden tot praktische toepassingen op basis van het thermo-elastisch principe.

Hoge efficiëntie

Het team van Sun en Li slaagde erin om een Ti₇₈Nb₂₂ martensitisch polykristal te creëren dat een temperatuurverschil van 4-5 K kon genereren als het elastisch vervormd werd. Dat is twintigmaal groter dan de 0,2 K temperatuursverandering die optreedt bij gangbare materialen. Eveneens opmerkelijk was dat hiermee een thermo-elastische warmtepompcyclus mogelijk is die een Carnot-efficiëntie van 90% haalt. Dat is vergelijkbaar met de huidige warmtepompen met dampcompressie. Het is ook veel hoger dan andere bekende solid state alternatieven, die blijven steken op 50-70%. Deze legering vormt de basis voor onderzoek naar nieuwe materialen met een nog groter thermo-elastisch effect. De onderzoekers zeggen dat 22 K haalbaar moet zijn. Interessant is ook dat het rendement van deze cyclus nog toeneemt bij hogere werkingstemperaturen. De onderzoekers zien dan ook interessante mogelijkheden voor dit principe in industriële toepassingen. Gangbare warmtepompen zijn beperkt in afgiftetemperaturen van ongeveer 200°C. In die omstandigheden zou de thermo-elastische cyclus betere prestaties leveren. Daardoor heeft dit principe het potentieel om ongeveer 40% van de industriële warmte te decarboniseren.

Voorlopig bliiven dit nog berekeningen en simulaties. Het onderzoek toont echter aan dat thermo-elastische warmtepompen een mogelijk alternatief zijn voor de bekende werkingscycli.

Door: Alex Baumans

Foto: HKUST

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59720-3