Wiederverwendung von thermischer Energie: Hausklimaanlage, Parkhäuser und Computing

Der globale Markt für thermische Energiespeicherung könnteUS$8 billion bis 2030 von einer Größe von US$4,4 Milliarden im Jahr 2022 erreichen, was einer durchschnittlichen Jahreswachstumsrate (CAGR) von etwa 7,7 % entspricht. Die wachsende Nachfrage nach Speicher weist auf eine kontinuierlich steigende Nutzung thermischer Energie hin. 

Aber was genau ist thermische Energie und wie speichern wir sie? Wir werden in den kommenden Abschnitten tiefer darauf eingehen, um diese Fragen zu beantworten und zu sehen, wie thermische Energie effiziente Energienutzungsparadigmen für die Bedürfnisse unserer modernen Welt schafft. 

Die kurze Geschichte der thermischen Energie

Die Geschichte der Erkennung thermischer Energie und ihres Potenzials reicht bis ins Jahr 1847 zurück. Die Anerkennung gebührt dem weltweit verehrten englischen Physiker und Mathematiker James Prescott Joule. 

Einfach ausgedrückt entdeckte Joule die Beziehung zwischen Wärme und mechanischer Energie und gelangte schließlich zum Gesetz der Energieerhaltung, auch bekannt als das erste Gesetz der Thermodynamik. Das Gesetz besagt, dass Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, aber nicht erzeugt oder zerstört werden darf. 

Wie Wissenschaftler Joule zu dieser bahnbrechenden Erkenntnis gelangte, war ein spannendes Experiment, das uns helfen kann, die Natur dessen zu verstehen, was wir heute als thermische Energie kennen. 

In seinem Experiment maß Joule die Arbeit, die ein Elektromotor verrichten musste, um die Temperatur eines bestimmten Wasservolumens um ein Grad zu erhöhen. Er maß zudem den Temperaturanstieg im Wasser, wenn es durch einen perforierten Zylinder floss, und die bei der Kompression eines Gases erzeugte Wärme. 

Während seiner Forschung stellte er fest, dass die auf die Flüssigkeit angewandte mechanische Energie stets gleich der erzeugten Wärmeenergie war, was darauf hinweist, dass eine Umwandlung von Energie von einer Form in eine andere möglich ist. 

In einem breiteren Kontext sagte das Experiment viel über unser Universum und sein Energiesystem aus. Es zeigte vor allem, dass die gesamte Energie im Universum konstant bleibt, wobei eine Energieform in eine andere umgewandelt wird. 

Joules Entdeckung gab den Anstoß zu einem eigenständigen Forschungszweig, der als Thermodynamik bekannt ist. Wir haben bereits das erste Gesetz des Paradigmas gesehen. Es gibt noch drei weitere Gesetze. Diese vier Grundgesetze bilden die Grundlagen der Thermodynamik, die sich mit Wärme, Arbeit und Temperatur sowie deren Wechselwirkungen und den Auswirkungen auf Energie, Strahlung und physikalische Eigenschaften von Materie befassen. 

Es ist entscheidend, die Thermodynamik zu verstehen, wenn man das Potenzial thermischer Energie und ihre möglichen Anwendungen vollständig begreifen will. Im Kern erklärt die Thermodynamik, wie thermische Energie in andere Formen umgewandelt wird und umgekehrt. Thermische Energie entsteht durch Wärme, die durch Teilchenbewegungen innerhalb eines Objekts erzeugt wird. Je schneller die Bewegung, desto größer die erzeugte Wärme. 

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Die Wissenschaft hinter der Erzeugung thermischer Energie: Leitung, Konvektion, Strahlung

Sich bewegende Teilchen oder Moleküle erzeugen Wärme. Es gibt jedoch mindestens drei Wege, wie diese Bewegungen Wärme erzeugen können. 

Beim Leitungsprozess wird Wärme durch die Bewegung der Bestandteile erzeugt, ohne dass sich der Körper bewegt. Ein praktisches Beispiel für Wärme, die durch Leitung entsteht, ist die Temperaturerhöhung eines Edelstahllöffels, wenn er für einige Zeit in einen Kochtopf gelegt wird, während der Topf von unten erhitzt wird. 

Der Konvektionsprozess ist der, bei dem der Energietransfer zwischen einer festen Oberfläche und einer sich bewegenden Flüssigkeit oder einem Gas stattfindet. Das Erhitzen von Wasser, indem man es in eine Pfanne gibt und die Pfanne direkt erhitzt, ist ein Beispiel für den Konvektionsprozess des Energietransfers. 

Schließlich, beim Strahlungsprozess, müssen zwei Körper oder Substanzen nicht miteinander in Kontakt stehen, damit Wärme oder thermische Energie ausgetauscht wird. Ein typisches Beispiel hierfür ist das Schmelzen von Eis, indem man eine Glühlampe in die Nähe stellt. Obwohl die Lampe und das Eis sich nie berühren, schmilzt das Eis. 

Obwohl diese Methoden zur Erzeugung thermischer Energie für das menschliche Auge nicht sichtbar sind und nur durch ihre äußeren oder physikalischen Manifestationen erkannt werden können, sind die Beispiele für thermische Energie oft leicht zu erkennen, da wir mit vielen von ihnen interagieren. 

Zum Beispiel erwärmt die Sonnenstrahlung unsere Atmosphäre, und wir fühlen uns dadurch heiß. Ebenso gibt es geothermische Energie, bei der intensive Wärme kontinuierlich aus der Tiefe der Erde nach außen fließt. Der Zerfall radioaktiver Elemente in den Gesteinen ist die Hauptquelle dieser Wärme. Dann gibt es die Meeresoberfläche, die ein enormes Potenzial zur thermischen Energiespeicherung besitzt, da sie über einen langen Zeitraum direkt der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Brennstoffzellen helfen ebenfalls, die aus thermischer Energie erzeugte Energie zu nutzen. 

Wiederverwendung thermischer Energie: Initiativen weltweit

Prinzipiell wandelt sich Energie von einer Form in eine andere um. Die Wiederverwendung von Energie steht daher im Einklang mit unseren naturwissenschaftlichen Grundprinzipien. Es ist ein effizienter Weg, das wahre Potenzial von Energie zu nutzen, indem man über ihre unmittelbare Anwendung hinausgeht. Wir werden einige Beispiele für wiederverwendete thermische Energie betrachten. 

Thermische Energie, die in unterirdischen Parkhäusern erzeugt wird, um Grundwasser zu erwärmen

Ein Forscherteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Basel führte eine umfassende Studie von 31 unterirdischen Parkhäusern in Städten Deutschlands, Österreichs und der Schweiz durch.

In sechs dieser Standorte maßen sie zudem die Temperatur des nahegelegenen Grundwassers. Aus den von ihnen erstellten Wärmeprofilen kamen sie zu dem Schluss, dass unterirdische Parkhäuser das Grundwasser das ganze Jahr über konstant erwärmen. Wichtig ist, dass diese Wärme hauptsächlich von den Motoren der geparkten Autos stammt.

Maximilian Noethen, Geowissenschaftler an der MLU, erklärte: “Öffentliche unterirdische Parkhäuser tragen mehr zur Erwärmung des Grundwassers bei als private, da sie oft tiefer liegen und die Autos dort kürzer geparkt werden.”

Die Forscher wiesen zudem auf das Potenzial zur Wiederverwendung dieser thermischen Energie hin. Beispielsweise könnte die jährliche Energieausbeute der Berliner unterirdischen Parkhäuser, fast 0,65 Petajoule, theoretisch genug Wärme liefern, um etwa 14.660 Haushalte zu versorgen.

Wiederverwendung der Wärme von elektronischen Geräten

Diese Studie stammt von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Central South University in China. Die Studie schlägt die Machbarkeit vor, die in technischen Geräten erzeugte Wärme für das Rechnen zu nutzen. Alles, was man dafür braucht, ist die Kombination bestimmter Materialien. 

Elektronische Geräte erwärmen sich durch den elektrischen Strom, der durch sie fließt. Diese Wärme wird dissipiert und geht dabei verloren. Laut Dr. Jamal Berakdar, Professor für Physik an der MLU, “suchen Menschen seit Jahrzehnten nach Möglichkeiten, diese verlorene Energie in der Elektronik wiederzuverwenden.” 

Die neue Methode zur Wiederverwendung von Wärme schlägt die Verwendung von nichtleitenden magnetischen Streifen anstelle herkömmlicher elektronischer Schaltkreise in Kombination mit normalen Metallabstandshaltern vor. “Unsere Technologie kann dazu beitragen, Energie in der Informationstechnologie zu sparen, indem überschüssige Wärme sinnvoll genutzt wird,” erklärt Berakdar. 

Salzbatterien zur Wärmespeicherung

Dieses Forschungspapier ist eine aktuelle Entwicklung, da die Verfasserin der Dissertation, die PhD-Stipendiatin der Radboud University Lian Blijlevens, kurz davor steht, ihre Forschung über die Nützlichkeit von Salz zur Wärmespeicherung zu verteidigen. Das betreffende Salz ist nicht die gewöhnliche Tafelsorte, sondern Typen wie Strontiumchlorid. 

Der Kern von Blijlevens’ Studie ist die Salzbatterie, die dafür konzipiert ist, Salzhydrate und wasserhaltige Salze in kristalliner Form zu speichern. Das Aufladen dieser Batterie erfolgt durch Erhitzen des Salzes, wodurch Wasser aus den Kristallen freigesetzt wird. 

“Wenn Sie die Wärme benötigen, fügen Sie den Kristallen Wasserdampf hinzu, und die Wärme wird erneut freigesetzt,” fasst Blijlevens zusammen. 

Mit diesen Forschungspapieren, die ein florierendes Innovationsklima in diesem Bereich zeigen, gibt es einige Lösungen, die thermische Energie im Unternehmensmaßstab wiederverwenden. Wir diskutieren einige dieser Lösungsanbieter in den folgenden Abschnitten.

Anbieter von Energie-Wiederverwendungs-Lösungen: Unternehmensmaßstab

#1. Calefa

Calefa ist ein in Finnland ansässiger Anbieter von schlüsselfertigen Lösungen für die Wiederverwertung von Wärme. Sein Angebot umfasst eine modulare AmbiHeat-Wärmepumpenanlage. Sie nutzt Umgebungsenergiequellen und Nachrüstsysteme, um Abwärme zu recyceln. Da wir Wärmepumpen als Lösung erwähnt haben, wäre es sinnvoll, kurz zu erklären, warum sie als eine beste Option für die Hausklimaanlage. 

Wärmepumpen sind multifunktionale Klimasteuerungsgeräte, die Wärme von einem Ort zum anderen transportieren. Sie erzeugen keine Wärme, sondern bewegen sie nur, was sie zu einer energieeffizienten Wahl zum Heizen oder Kühlen eines Hauses macht. Im Winter entziehen diese Pumpen der Außenluft Wärme und leiten sie nach innen. Im Sommer geschieht das Gegenteil. 

Laut von der Organisation veröffentlichten Daten hat Calefa in den letzten zehn Jahren fast 200 Energiesysteme geliefert, die Abwärme oder Umgebungsenergie nutzen. Damit hat das Unternehmen mehr als US$34 Millionen an Kosten, fast 650.000 MWh Energie und über 142 Millionen Kilogramm CO₂-Emissionen eingespart. 

#2. Heata

Heata, ein innovatives Startup aus dem Vereinigten Königreich, entwickelte die Idee, die von Computern erzeugte Wärme zu nutzen, um kostenloses Warmwasser bereitzustellen. Das Startup startete als Innovationsprojekt mit British Gas, um Menschen zu helfen, die unter Kraftstoffmangel oder Energiearmut leiden. 

Sie untersuchten den Blockchain-Bereich und erfuhren von den großen Energiemengen, die Bitcoin-Miner verbrauchen, und den ebenso großen Mengen an Abwärme, die dabei entstehen. Um diese Wärme wiederzuverwenden, tauchte das Heata-Team den Bitminer in Mineralöl und schloss ihn an einen Heizkörper an, um die Machbarkeit ihrer Idee zu testen. 

Nachdem sie die Umsetzbarkeit der Idee bestätigt hatten, integrierten sie Warmwasserzylinder, bei denen die Nachfrage das ganze Jahr über relativ konstant ist. Sie wechselten zudem vom Bitcoin-Mining zum allgemeinen Computing, um die Dekarbonisierungsbemühungen in dieser Branche zu unterstützen. 

Gegründet im Jahr 2017 und mit Sitz in Godalming, Surrey, Vereinigtes Königreich, befähigt Heata Unternehmen, ihren CO₂-Fußabdruck zu reduzieren und spart Familien bis zu £450 pro Jahr bei ihren Energierechnungen. Das Startup schloss im Oktober dieses Jahres eine Seed-Finanzierung in Höhe von 1 Million Pfund ab. 

Wiederverwendung von Datenzentrumswärme

Das Weltwirtschaftsforum hat die Technologieunternehmen, die ihre Datenzentren – in denen ihre Server untergebracht sind – nutzen, um Häuser zu heizen und CO₂ zu reduzieren, aufmerksam gemacht. Mehrere Initiativen erleichtern diesen Prozess, und laut der International Data Corporation könnte der Markt für Datenzentrumsheizung bis 2025 ein Volumen von US$2.5 billion erreichen. 

Stockholm Data Parks ist eine solche Initiative in Schweden, die Häuser durch Nutzung der Abwärme der Stockholmer Datenzentren erwärmt. Ambitioniert plant die Initiative, auf diese Weise bis 2035 10 % des gesamten Heizbedarfs Stockholms zu decken. In größerem Maßstab spiegelt das Think‑Tank Energy Innovation wider, dass die größten Datenzentren mehr als 100 Megawatt Energie erzeugen können, genug, um 80.000 Haushalte zu versorgen. 

Switch Datacenters ist ein weiteres Unternehmen mit Sitz in den Niederlanden, das seine Abhängigkeit von Erdgas reduziert hat, indem es Gaserzeugereinheiten durch Datenzentrumsheizung ersetzt. Laut dem CEO des Unternehmens ist es möglich, bis zu 97 % der Serverwärme über dieses System an Häuser und Büros zu liefern. 

Die Zukunft: Der globale Technologieriese Microsoft wagt den Sprung

Microsoft hat eine Partnerschaft mit Fortum, einem finnischen Unternehmen, geschlossen, um Tausende von Häusern in Helsinki zu heizen, und da die Zusammenarbeit erfolgreich ist, erwartet Fortum, dass seine Lösung 40 % der Häuser in Helsinki beheizen kann. 

Im Zuge ihres Engagements für Nachhaltigkeit hat Microsoft nun beschlossen, zwei seiner neuen Datenzentren in Helsinki mit erneuerbarer Energie zu betreiben, eine Entscheidung, die voraussichtlich die jährlichen CO₂-Emissionen um 400,000 tonnes reduzieren wird. 

Diese Umweltinitiative ist jedoch nur ein Aspekt von Microsofts globalem Einfluss. Das weltweit bekannte Unternehmen meldete im Geschäftsjahr 2023 einen Umsatz von US$211 billion und ein Betriebsergebnis von mehr als US$88 billion. Microsofts Engagement in der Wiederverwendung thermischer Energie unterstreicht nicht nur seine Nachhaltigkeitsverpflichtungen, sondern verleiht diesen Bestrebungen auch erhebliche Sichtbarkeit und Anpassungsfähigkeit. 

Nun, zurück zum ersten Gesetz der Thermodynamik. Energie wird am besten genutzt, wenn die Bemühungen darauf abzielen, sie von einer Form in eine andere zu verlagern. Die Wiederverwendung thermischer Energie ist ein effizienter Schritt in diese Richtung. Es gibt keinen Grund, warum sie in den kommenden Jahren nicht ein signifikantes Wachstum in der Akzeptanz erleben sollte.