Radiativ køling bekæmper klimaændringer ved at bruge rummet som en varmesænke

Når byer vokser og fortættes, bliver der flere overflader af beton og asfalt. Bygninger og veje optager varme, hvilket opvarmer omgivelserne og øger behovet for aircondition. Udledningerne afhænger blandt andet af energikilden. Derfor har et forskerhold ved University of Maryland udviklet en løsning: en mikroporøs belægning kaldet køleglas, som blev præsenteret i 2023 og udnytter strålingskøling. Der er tale om en glasholdig belægning, ikke almindeligt gennemsigtigt vinduesglas.

Et gennembrud inden for strålingskøling

Klimaindsatsen omfatter også mere effektiv brug af den elektricitet, vi producerer. Køleglasset kombinerer to mekanismer: høj albedo, som reflekterer en stor del af solstrålingen, og afgivelse af varme som infrarød stråling til rummet gennem bølgelængdeområder, hvor atmosfæren er forholdsvis gennemsigtig. Reflekteret sollys og udsendt varmestråling er forskellige processer. Den kosmiske baggrund på omkring −270 °C fungerer som en kold reference; vakuum leder ikke varmen væk ved konvektion.

I deres forskningsartikel beskriver forfatterne materialet således:

»En uordnet fotonisk komposit bestående af en mikroporøs glasstruktur med selektiv udstråling i det langbølgede infrarøde område og forholdsvis høj solreflektans samt aluminiumoxidpartikler, som spreder sollyset kraftigt og forhindrer den porøse struktur i at fortættes under fremstillingen.«

Belægningen gav gode resultater under forskellige forhold. Fremstillingsmetoden kunne være egnet til større skala, men i 2023 arbejdede forskerne fortsat med yderligere afprøvning og praktisk anvendelse.

Kilde: www.cera.cool

Om ydeevnen angiver studiets resumé:

»Denne mikroporøse glasbelægning muliggør en temperatursænkning på omkring 3,5 °C ved middagstid og 4 °C om natten, selv i miljøer med høj luftfugtighed på op til 80 procent.«

De detaljerede målinger præciserer betingelserne: ved middagstid var belægningen cirka 3,5 °C koldere end den omgivende luft på 30 °C, ved 30 procents relativ luftfugtighed. Om natten lå den cirka 4 °C under den omgivende luft på 17,5 °C, ved op til 80 procents luftfugtighed. Simuleringer af tage på mellemhøje etageejendomme viste en mulig reduktion på omtrent 10 procent i de årlige kølingsrelaterede CO₂-udledninger. Det var ikke en generelt målt reduktion i bygningernes samlede udledninger.

Strålingskøling er ikke nyt. Det interessante her er kombinationen af ydeevne, bestandighed under udendørs forhold og muligheden for at fremstille materialet i større skala.

Hvad er et kølelegeme?

Et kølelegeme optager varme fra en anden genstand og afgiver den til omgivelserne. I elektronik og mekaniske systemer modvirker det overophedning. Kontakt med en varm komponent giver typisk varmeledning; overførslen til omgivelserne kan ske ved konvektion og stråling. Køleglasset beskrevet her afgiver energi som infrarød stråling mod himlen og rummet.

De vigtigste processer og egenskaber ved et kølelegeme er følgende:

Varmeledning: varme overføres gennem et materiale. En varm komponent, eksempelvis en processor, overfører varme til det kølelegeme, den har kontakt med.

Materiale: aluminium og kobber er almindelige, fordi de leder varme godt. De transporterer varmen væk fra komponenten og fordeler den over et større areal.

Udformning og overfladeareal: finner og andre strukturer øger arealet til varmeudveksling. Mere luft kan dermed komme i kontakt med kølelegemet, hvilket forbedrer varmeafgivelsen.

Konvektion: luft eller væske, som strømmer over overfladen, fører varme væk. Passiv køling udnytter blandt andet naturlig luftcirkulation, mens blæsere og pumper kan forstærke varmeoverførslen i aktive systemer.

Stråling: kølelegemet afgiver også energi som infrarød stråling, hvilket bidrager til kølingen.

Effektiviteten afhænger af materialets varmeledningsevne, udformningen og overfladearealet, omgivelsestemperaturen samt luft- eller væskestrømmen. Effektiv varmestyring bidrager til elektroniske og mekaniske systemers pålidelighed og levetid.

Hvad er strålingskøling?

Strålingskøling er en naturlig proces, hvor en genstand mister energi ved at udsende stråling, ved temperaturer nær jordoverfladen sædvanligvis infrarød stråling. Processen indgår i Jordens energibalance og kan udnyttes i forskellige teknologier.

De fysiske principper omfatter følgende:

Infrarød stråling: genstande udsender elektromagnetisk stråling, hvis spektrum og intensitet afhænger af temperaturen. Ved almindelige temperaturer på jordoverfladen ligger strålingen hovedsageligt i det infrarøde område. En genstand afkøles, når energitabet overstiger tilførslen, idet andre former for varmeudveksling også skal medregnes.

Udstråling til rummet: visse infrarøde bølgelængdeområder passerer forholdsvis let gennem atmosfæren, blandt andet vinduet omkring 8–13 mikrometer. En egnet overflade kan dermed afgive varme til rummet. Luftfugtighed, skyer og andre omgivelsesforhold påvirker resultatet.

Køling dag og nat: uden sol er det lettere at nå en temperatur under den omgivende lufts. Om dagen modvirkes kølingen af absorberet solenergi. Et stærkt reflekterende og hensigtsmæssigt udformet materiale kan dog også give strålingskøling i dagtimerne, som det aktuelle studie viser.

Sammenhæng med albedo: albedo angiver, hvor stor en del af solstrålingen der reflekteres, ikke kun den synlige del. Høj albedo mindsker optagelsen af solenergi. Strålingskøling handler om afgivelse af varmestråling. Egenskaberne supplerer hinanden; en mørk overflade kan afgive infrarød stråling og alligevel være varm, fordi den absorberer mere sollys.

Anvendelser: strålingskøling undersøges til bygninger, køretøjer og tekniske installationer. Afhængigt af udformningen og forholdene kan den mindske elbehovet til aircondition eller forbedre eksisterende kølesystemers effektivitet.

Refleksion af sollys og afgivelse af infrarød stråling er altså forskellige processer, som tilsammen påvirker varmebalancen i naturlige og menneskeskabte overflader.

Virksomheder, der arbejder med klimaløsninger

Følgende børsnoterede virksomheder leverer energi- eller mobilitetsteknologi. De præsenteres ikke som producenter af køleglasset fra dette studie.

Tabellerne bevarer de historiske tal fra artiklen i november 2023, ikke verificerede aktuelle markedsdata. Indtjening pr. aktie kan afspejle den daværende aktiestruktur. Et negativt P/E-tal er ikke en meningsfuld værdiansættelsesmultipel for en virksomhed med underskud. De indlejrede grafer og kurser kan vise nyere oplysninger.

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL Prisdiagram

FuelCell Energy (FCEL ) udvikler, fremstiller, driver og vedligeholder brændselscellekraftværker. Den elektrokemiske omdannelse kan forbedre virkningsgraden og mindske visse forurenende udledninger sammenlignet med tilsvarende forbrændingsteknologi. Anlæggene kan dog bruge naturgas, biogas eller andre brændsler og er ikke automatisk fossilfrie eller fri for CO₂-udledninger. Klimavirkningen afhænger af brændslet, virkningsgraden og eventuel udnyttelse af overskudsvarme.

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP Prisdiagram

Brookfield Renewable Partners (BEP ) driver en stor portefølje af vandkraft, vindkraft, solkraft og lagring i Nord- og Sydamerika, Europa og Asien. Andelene handles også i Toronto (BEP.UN.TO ). Brookfield Renewable Corporation (BEPC ) er en særskilt selskabsstruktur, hvis ombyttelige aktier sigter mod at give en økonomisk tilsvarende eksponering som partnerskabets andele. Værdipapirerne tilhører juridisk forskellige kategorier. Gruppen fokuserer på langsigtet værdiskabelse gennem vedvarende energiaktiver.

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT Prisdiagram

ChargePoint Holdings (CHPT ) leverer ladeudstyr til elbiler, softwaretjenester og support. Løsningerne bruges blandt andet i boliger, virksomheder, køretøjsflåder og offentlige områder. Ved at understøtte elektrisk transport kan de mindske afhængigheden af oliebaserede brændstoffer. Udledningerne afhænger også af elproduktionen og køretøjerne.

Andre virksomheder, der udvikler strålingskøling

Det privatejede CeraCool arbejder med praktisk anvendelse og opskalering af strålingskøling. Virksomheden blev grundlagt af forskere bag køleglasset, som blev præsenteret i studiet.

CeraCool  udviklede maling, der reflekterer sollys og afgiver infrarød varme. Virksomheden beskriver det som køling uden belægningens eget elforbrug ved at reflektere over 95 procent af solstrålingen og samtidig afgive varme til rummet gennem atmosfærens gennemsigtighedsvindue. Det betyder ikke, at malingen erstatter al aircondition under alle forhold. Ifølge virksomheden kan den sprøjtes eller pensles på overflader, der bliver varme, eksempelvis tage og visse vejoverflader.

SkyCool Systems er en anden privatejet virksomhed, der arbejder med strålingskøling.

SkyCool Systems udvikler køleløsninger med stærkt reflekterende materialer, som afgiver infrarød stråling. Panelerne kan blandt andet forbedre effektiviteten i dampkompressionsbaserede kølesystemer. Teknologien sigter mod energi- og miljøgevinster, hvis størrelse afhænger af installationen og driftsforholdene.

Afsluttende tanker

Klimaindsatsen skal også mindske ineffektiv energiudnyttelse som supplement til bæredygtige energikilder. Strålingskøling kan bidrage. I et TED-foredrag diskuterer Aaswath Raman den mulige selvforstærkende sammenhæng mellem højere temperaturer, større behov for aircondition og de tilhørende udledninger samt, hvordan strålingskøling kan være med til at begrænse den.

Sammen med andre fremskridt, såsom solceller i mikrometerstørrelse med kontakter på bagsiden, kan initiativer fra virksomheder som CeraCool give fordele i årene efter artiklen. Resultatet afhænger af opskalering og ydeevne i praksis.