Genanvendelse af termisk energi: Klimakontrol i hjemmet, parkeringshuse og databehandling

Det globale marked for termisk energilagring kan nå US$8 billion i 2030 fra en størrelse på US$4.4 billion i 2022, hvilket svarer til en årlig vækstrate (CAGR) på cirka 7,7 %. Den stigende efterspørgsel efter lagring indikerer en vedvarende voksende brug af termisk energi. 

Men hvad er termisk energi egentlig, og hvordan lagrer vi den? Vi vil dykke dybere ned i de kommende afsnit for at komme til bunds i disse spørgsmål og se, hvordan termisk energi skaber effektive energianvendelsesparadigmer for vores moderne verdens behov. 

Den korte historie om termisk energi

Historien om at genkende termisk energi og dens potentiale går tilbage til 1847. Krediten tilfalder den verdensberømte engelske fysiker og matematiker James Prescott Joule. 

Kort sagt opdagede Joule forholdet mellem varme og mekanisk energi, hvilket til sidst førte til loven om energibevarelse, også kendt som den første lov i termodynamikken. Loven siger, at energi kan omdannes fra én form til en anden, men kan hverken skabes eller destrueres. 

Hvordan videnskabsmanden Joule nåede denne banebrydende konklusion var et spændende eksperiment, der kan hjælpe os med at forstå naturen af det, vi i dag kender som termisk energi. 

I sit eksperiment målte Joule, hvor meget arbejde en elektrisk motor skulle udføre for at hæve temperaturen på et bestemt volumen vand med én grad. Han målte også temperaturstigningen i vand, når det passerede gennem en perforeret cylinder, samt den varme, der blev genereret ved komprimering af en gas. 

Under sin forskning fandt han ud af, at den mekaniske energi, der blev påført væsken, altid var lig den varmeenergi, der blev genereret, hvilket indikerer, at omdannelse af energi fra én form til en anden er mulig. 

I bredere forstand sagde eksperimentet meget om vores univers og dets energisystem. Det viste, vigtigst af alt, at den samlede energi i universet forbliver konstant, med én energiform, der omdannes til en anden. 

Joules opdagelse gav liv til en fuldt udviklet videnskabsgren kendt som termodynamik. Vi har allerede set den første lov i paradigmet. Der er tre yderligere love. Disse fire grundlæggende love udgør rammerne for termodynamik, som beskæftiger sig med varme, arbejde og temperatur, samt hvordan deres interaktion påvirker begreber som energi, stråling og fysiske egenskaber ved stof. 

Det er afgørende at forstå termodynamik, hvis man skal kunne forstå potentialet i termisk energi og de måder, den kan hjælpe vores processer på. I sin kerne forklarer termodynamik, hvordan termisk energi omdannes til andre former og omvendt. Termisk energi stammer fra varme, der produceres af partikelbevægelser inden i et objekt. Jo hurtigere bevægelsen er, desto større er den genererede varme. 

Klik her for listen over de ti bedste aktier inden for vedvarende energi.

Videnskaben bag termisk energiproduktion: Konduktion, konvektion, stråling

Bevægende partikler eller molekyler giver anledning til varme. Men der er mindst tre måder, hvorpå disse bevægelser kan generere varme. 

I konduktionsprocessen genereres varme ud fra bevægelsen af de enkelte partikler uden at kroppen bevæger sig. Et virkeligt eksempel på varmegenerering ved konduktion er temperaturstigningen i en rustfri stålske, når den lægges i en gryde i et stykke tid, mens gryden stadig varmes fra bunden. 

Konvektionsprocessen er, når energioverførslen sker mellem en fast overflade og en bevægende væske eller gas. At opvarme vand ved at lægge det i en pande og tilføre varme direkte til panden er et eksempel på konvektionsprocessen. 

Endelig, i strålingsprocessen, behøver to legemer eller stoffer ikke at være i kontakt for at udveksle varme eller termisk energi. Et typisk eksempel på denne proces er at smelte is ved at holde en glødelampe i nærheden af den. Selvom lampen og isen aldrig rører hinanden, smelter isen. 

Selvom disse metoder bag termisk energiproduktion ikke er synlige for det menneskelige øje og kun kan forstås ved at se på deres eksterne eller fysiske manifestationer, er eksempler på termisk energi ofte let genkendelige, når vi interagerer med dem. 

For eksempel varmer solstråling vores atmosfære, og vi føler os varme som følge heraf. På samme måde findes der også geotermisk energi, som er intens varme, der løbende strømmer ud fra dybt inde i jorden. Nedbrydningen af radioaktive elementer i bjergarterne er den primære kilde til denne type varme. Derudover har havoverfladen et enormt potentiale for termisk energilagring, fordi den er direkte udsat for solens stråler i længere perioder. Brændselsceller hjælper også med at udnytte den energi, der produceres fra termisk energi. 

Genanvendelse af termisk energi: Initiativer verden over

Efter princippet om, at energi omdannes fra én form til en anden, er genanvendelse af energi i overensstemmelse med vores naturvidenskabelige principper. Det er en effektiv måde at udnytte energiens sande potentiale på ved at gå ud over dens umiddelbare anvendelse. Vi vil se på nogle eksempler på genanvendt termisk energi. 

Termisk energi genereret i underjordiske parkeringshuse til opvarmning af grundvand

Et team af forskere fra Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), Karlsruhe Institute of Technology og University of Basel foretog en dybdegående undersøgelse af 31 underjordiske parkeringshuse i byer i Tyskland, Østrig og Schweiz.

I seks af disse lokationer målte de også temperaturen på det omkringliggende grundvand. Ud fra de varmeprofiler, de udarbejdede, konkluderede de, at underjordiske parkeringshuse konsekvent opvarmer grundvandet gennem hele året. Det er vigtigt at bemærke, at denne varme primært stammer fra motorerne i de parkerede biler.

Maximilian Noethen, en geovidenskabsmand fra MLU, forklarede: “Offentlige underjordiske parkeringshuse bidrager mere til opvarmning af grundvand end private, da de ofte er dybere, og biler parkeres der i kortere perioder.”

Forskerne påpegede også potentialet for at genanvende denne termiske energi. For eksempel kunne den årlige energiproduktion fra Berlins underjordiske parkeringshuse, næsten 0,65 petajoule, teoretisk set levere varme til omkring 14.660 husstande.

Genanvendelse af varmen fra elektroniske enheder

Denne undersøgelse kom fra fysikerne ved Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) og Central South University i Kina. Undersøgelsen foreslår muligheden for at bruge den varme, der genereres i tekniske enheder, til beregning. Alt, hvad der kræves, er at kombinere specifikke materialer. 

Elektroniske enheder bliver varme på grund af den elektriske strøm, der løber gennem dem. Denne varme spredes og går tabt i processen. Ifølge Dr. Jamal Berakdar, professor i fysik ved MLU, “har folk i årtier ledt efter måder at genbruge denne tabte energi i elektronik på.” 

Den nye metode til genanvendelse af varme foreslår brug af ikke‑ledende magnetiske strimler i stedet for konventionelle elektroniske kredsløb i kombination med normale metalspacere. “Vores teknologi kan bidrage til at spare energi inden for informationsteknologi ved at udnytte overskudsvarme,” forklarer Berakdar. 

Saltbatterier til lagring af varme

Dette forskningsstykke er en nylig udvikling, da forfatteren af afhandlingen, PhD‑studerende Lian Blijlevens fra Radboud University, er ved at forsvare sin forskning i brugen af salt til varmelagring. Det pågældende salt er ikke den almindelige bordsalt, men snarere typer som strontiumchlorid. 

Kernen i Blijlevens’ studie er saltbatteriet, designet til at lagre saltsalte hydrater og vandholdige salte i krystallinsk form. Opladning af dette batteri indebærer opvarmning af saltet, hvilket får vandet til at forlade krystallerne. 

“Når du har brug for varmen, tilsætter du vanddamp til krystallerne, og varmen frigives igen,” konkluderer Blijlevens. 

Med disse forskningspapirer, der viser en blomstrende innovationsatmosfære inden for dette område, hjælper nogle løsninger med at genanvende termisk energi i virksomhedsskala. Vi diskuterer nogle af disse løsningsudbydere i de følgende afsnit.

Løsningsudbydere inden for energigenanvendelse: Virksomhedsskala

#1. Calefa

Calefa er en finsk leverandør af turn‑key‑løsninger til genanvendelse af varme. Deres tilbud inkluderer et modulært AmbiHeat‑varmepumpesystem. Det udnytter omgivende energikilder og eftermonteringssystemer til at genanvende spildvarme. Da vi nævnte varmepumper som en løsning, er det relevant kort at forklare, hvorfor de betragtes som en top‑mulighed for klimakontrol i hjemmet. 

Varmepumper er flerfunktionelle klimakontrolenheder, der overfører varme fra ét sted til et andet. De genererer ikke varme, de flytter den blot, hvilket gør dem til et energieffektivt valg for opvarmning eller køling af et hjem. Om vinteren udtrækker pumpen varme fra udendørs og overfører den indendørs. Om sommeren sker det omvendt. 

Ifølge data offentliggjort af organisationen Calefa, har de i de sidste ti år leveret næsten 200 energisystemer, der udnytter spildvarme eller omgivende energi. De har hjulpet med at spare mere end US$34 millioner i monetære termer, næsten 650.000 MWh energi og over 142 millioner kilogram CO₂ i reducerede emissioner. 

#2. Heata

Heata, en innovativ startup fra Storbritannien, kom op med idéen om at bruge den varme, som computere genererer, til at tilbyde gratis varmt vand. Startup’en startede som et innovationsprojekt sammen med British Gas, for at hjælpe mennesker, der lever i energifattigdom. 

De undersøgte blockchain‑området og opdagede de store mængder energi, som Bitcoin‑minere bruger, samt den tilsvarende store mængde spildvarme, de producerer i processen. For at genanvende denne varme, dyppede Heata‑teamet Bitminer‑enheden i mineralolie og tilsluttede den til en radiator for at teste idéens gennemførlighed. 

Da de fandt idéen gennemførlig, implementerede de varmtvandscylindre, hvor efterspørgslen er forholdsvis konstant gennem året. De gik også fra Bitcoin‑mining til generel databehandling for at støtte decarboniseringsindsatsen i denne industri. 

Grundlagt i 2017 og med hovedkontor i Godalming, Surrey, Storbritannien, Heata gør det muligt for virksomheder at reducere deres CO₂‑aftryk og sparer familier op til £450 om året på deres energiregning. Startup’en indsamlede 1 million pund i seed‑finansiering i oktober i år. 

Genanvendelse af datacenter‑varme

World Economic Forum har bemærket teknologivirksomheder, der udnytter deres datacentre – hvor deres servere er placeret – til at opvarme boliger og reducere CO₂‑udledning. Flere initiativer faciliterer denne proces, og ifølge International Data Corporation kan markedet for datacenter‑opvarmning være på US$2.5 billion i 2025. 

Stockholm Data Parks er et sådant initiativ i Sverige, der hjælper med at varme huse ved at udnytte spildvarmen fra Stockholms datacentre. Initiativet har ambitiøse mål og planlægger at dække 10 % af Stockholms samlede varmebehov på denne måde inden 2035. På et større plan peger tænketanken Energy Innovation på, at de største datacentre kan generere mere end 100 megawatt energi, nok til at forsyne 80.000 hjem. 

Switch Datacenters er en anden virksomhed baseret i Nederlandene, som har reduceret sin afhængighed af naturgas ved at erstatte gasgeneratorenheder med datacenter‑opvarmning. Ifølge virksomhedens administrerende direktør er det muligt at levere op til 97 % af servervarmen til boliger og kontorer gennem dette system. 

Fremtiden: Den globale teknologigigant Microsoft tager springet

Microsoft (MSFT ) har indgået et partnerskab med Fortum, et finsk selskab, for at opvarme tusindvis af boliger i Helsinki, og efterhånden som samarbejdet viser sig at være frugtbart, forventer Fortum, at deres løsning kan hjælpe med at opvarme 40 % af Helsinkis boliger. 

Som en videreførelse af deres engagement i bæredygtighed har Microsoft nu besluttet at forsyne to af deres nye datacentre i Helsinki med vedvarende energi, en beslutning der forventes at reducere de årlige CO₂‑emissioner med 400,000 tonnes. 

Dette miljøinitiativ er dog kun én facet af Microsofts globale indflydelse. Virksomheden, der er kendt verden over, rapporterede US$211 billion i omsætning i regnskabsåret 2023 og en driftsindtægt på mere end US$88 milliarder. Microsofts involvering i genanvendelse af termisk energi fremhæver ikke kun deres bæredygtighedsforpligtelser, men giver også betydelig synlighed og tilpasningsevne til disse bestræbelser. 

Nu vender vi igen tilbage til den første lov i termodynamikken. Energi udnyttes bedst, når indsatsen er rettet mod at flytte den fra én form til en anden. Genanvendelse af termisk energi er et effektivt skridt i den retning. Der er ingen grund til, at den ikke vil opleve betydelig vækst i adoption i de kommende år.