Αναχρησιμοποίηση Θερμικής Ενέργειας: Έλεγχος Κλίματος Σπιτιού, Υπόγειοι Στάθμευσης και Υπολογιστές

Η παγκόσμια αγορά αποθήκευσης θερμικής ενέργειας ενδέχεται να φτάσει US$8 billion το 2030 από μέγεθος US$4.4 δισεκατομμύρια το 2022, που αντιστοιχεί σε ετήσιο σύνθετο ρυθμό ανάπτυξης (CAGR) περίπου 7,7%. Η αυξανόμενη ζήτηση για αποθήκευση υποδεικνύει μια συνεχώς αυξανόμενη χρήση θερμικής ενέργειας. 

Αλλά τι ακριβώς είναι η θερμική ενέργεια και πώς την αποθηκεύουμε; Θα εμβαθύνουμε περισσότερο στα επόμενα τμήματα για να φτάσουμε στον πυρήνα αυτών των ερωτήσεων και να δούμε πώς η θερμική ενέργεια δημιουργεί αποδοτικά παραδείγματα χρήσης ενέργειας για τις ανάγκες του σύγχρονου κόσμου μας. 

Η Σύντομη Ιστορία της Θερμικής Ενέργειας

Η ιστορία της αναγνώρισης της θερμικής ενέργειας και του δυναμικού της χρονολογείται από το 1847. Η αναγνώριση ανήκει στον παγκοσμίως σεβαστό Άγγλο φυσικό και μαθηματικό James Prescott Joule. 

Για να το θέσουμε απλά, ο Joule αποκάλυψε τη σχέση μεταξύ θερμότητας και μηχανικής ενέργειας, φθάνοντας τελικά στον νόμο διατήρησης της ενέργειας, γνωστό και ως πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο νόμος δηλώνει ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από μία μορφή σε άλλη, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. 

Ο τρόπος με τον οποίο ο επιστήμονας Joule έφτασε σε αυτό το επαναστατικό συμπέρασμα ήταν ένα συναρπαστικό πείραμα που μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη φύση αυτού που σήμερα γνωρίζουμε ως θερμική ενέργεια. 

Στο πείραμά του, ο Joule μέτρησε την ποσότητα εργασίας που πρέπει να κάνει ένας ηλεκτρικός κινητήρας για να αυξήσει τη θερμοκρασία ενός συγκεκριμένου όγκου νερού κατά ένα βαθμό. Μεέτρησε επίσης την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού όταν περνούσε μέσω διατρυπημένου κυλίνδρου και τη θερμότητα που παράγεται κατά τη συμπίεση ενός αερίου. 

Κατά τη διάρκεια της έρευνάς του, διαπίστωσε ότι η ποσότητα μηχανικής ενέργειας που εφαρμόζεται στο υγρό ήταν πάντα ίση με τη θερμική ενέργεια που παράγεται, υποδεικνύοντας ότι η επαναχρησιμοποίηση της ενέργειας είναι δυνατή από μια μορφή σε άλλη. 

Σε ευρύτερους όρους, το πείραμα έλεγε πολλά για το σύμπαν μας και το ενεργειακό του σύστημα. Έδειξε, κυρίως, ότι η συνολική ενέργεια στο σύμπαν παραμένει σταθερή, με μια μορφή ενέργειας να μετατρέπεται σε άλλη μορφή. 

Η ανακάλυψη του Joule έδωσε τη γέννηση ενός πλήρους κλάδου μελέτης γνωστού ως θερμοδυναμική. Έχουμε ήδη δει τον πρώτο νόμο του παραδείγματος. Υπάρχουν τρεις ακόμη νόμοι. Αυτοί οι τέσσερις βασικοί νόμοι καθορίζουν τα πλαίσια της θερμοδυναμικής που ασχολείται με τη θερμότητα, τη δουλειά και τη θερμοκρασία και πώς η αλληλεπίδρασή τους επηρεάζει τις έννοιες της ενέργειας, της ακτινοβολίας και των φυσικών ιδιοτήτων της ύλης. 

Είναι κρίσιμο να κατανοήσουμε τη θερμοδυναμική αν θέλουμε να καταλάβουμε πλήρως το δυναμικό της θερμικής ενέργειας και τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να βοηθήσει τις διαδικασίες μας. Στην ουσία, η θερμοδυναμική εξηγεί πώς η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε άλλες μορφές και αντίστροφα. Η θερμική ενέργεια προέρχεται από τη θερμότητα που παράγεται από τις κινήσεις των σωματιδίων μέσα σε ένα αντικείμενο. Όσο πιο γρήγορη η κίνηση, τόσο μεγαλύτερη η παραγόμενη θερμότητα. 

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα με τις δέκα καλύτερες μετοχές ανανεώσιμης ενέργειας.

Η Επιστήμη Πίσω από τη Γεννήτρια Θερμικής Ενέργειας: Αγωγή, Συγκοπή, Ακτινοβολία

Η κίνηση σωματιδίων ή μορίων δημιουργεί θερμότητα. Αλλά υπάρχουν τουλάχιστον τρεις τρόποι με τους οποίους αυτές οι κινήσεις μπορούν να παράγουν θερμότητα. 

Στη διαδικασία αγωγής, η θερμότητα παράγεται από την κίνηση των συστατικών σωματιδίων χωρίς να κινείται το σώμα. Ένα πραγματικό παράδειγμα παραγωγής θερμότητας μέσω αγωγής είναι η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα ανοξείδωτο κουτάλι όταν το βάζουμε μέσα σε μια κατσαρόλα για κάποιο χρόνο ενώ η κατσαρόλα εξακολουθεί να θερμαίνεται από κάτω. 

Η διαδικασία συγκέντρωσης (συγκοπής) είναι όπου η μεταφορά ενέργειας συμβαίνει μεταξύ μιας στερεής επιφάνειας και ενός κινούμενου υγρού ή αερίου. Η θέρμανση του νερού τοποθετώντας το σε τηγάνι και εφαρμόζοντας άμεση θερμότητα στο τηγάνι είναι ένα παράδειγμα της διαδικασίας συγκέντρωσης ενέργειας. 

Τέλος, στη διαδικασία ακτινοβολίας, για να ανταλλάξει θερμότητα ή θερμική ενέργεια, δύο σώματα ή ουσίες δεν χρειάζεται να είναι σε επαφή μεταξύ τους. Ένα τυπικό παράδειγμα αυτής της διαδικασίας είναι το λιώσιμο του πάγου κρατώντας ένα πυρακτικό λαμπάδα κοντά του. Παρόλο που η λαμπάδα και ο πάγος δεν αγγίζουν ποτέ, ο πάγος λιώνει. 

Ενώ αυτές οι μέθοδοι πίσω από τη δημιουργία θερμικής ενέργειας δεν είναι ορατές στο ανθρώπινο μάτι και μπορούν να γίνουν αντιληπτές μόνο παρατηρώντας τις εξωτερικές ή φυσικές τους εκδηλώσεις, τα παραδείγματα θερμικής ενέργειας είναι συχνά εύκολα αναγνωρίσιμα καθώς αλληλεπιδρούμε με πολλά από αυτά. 

Για παράδειγμα, η ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει την ατμόσφαιρά μας, και νιώθουμε τη ζέστη ως αποτέλεσμα. Παρομοίως, υπάρχει επίσης η γεωθερμική ενέργεια, η οποία είναι έντονη θερμότητα που ρέει συνεχώς προς τα έξω από τα βάθη της γης. Η διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων που υπάρχουν στα πετρώματα είναι ο κύριος παραγωγός αυτού του είδους θερμότητας. Στη συνέχεια υπάρχει η επιφάνεια της θαλασσινής νερού, η οποία έχει τεράστιες δυνατότητες αποθήκευσης θερμικής ενέργειας λόγω της άμεσης έκθεσής της στην ηλιακή ακτινοβολία για παρατεταμένο χρονικό διάστημα. Τα κυψέλες καυσίμου, επίσης, βοηθούν στην αξιοποίηση της ενέργειας που παράγεται από τη θερμική ενέργεια. 

Αναχρησιμοποίηση Θερμικής Ενέργειας: Προσπάθειες Παγκοσμίως

Κατά αρχή, η ενέργεια μετατρέπεται από μία μορφή σε άλλη. Η αναχρησιμοποίηση της ενέργειας είναι, επομένως, σύμφωνη με τις αρχές της φυσικής μας επιστήμης. Είναι ένας αποδοτικός τρόπος αξιοποίησης του πραγματικού δυναμικού της ενέργειας υπερβαίνοντας την άμεση εφαρμογή της. Θα δούμε μερικά παραδείγματα αναχρησιμοποίησης θερμικής ενέργειας. 

Θερμική Ενέργεια που Παράγεται σε Υπόγειους Στάθμευσης για Θέρμανση Υπόγειου Υδάτινου Πόρου

Μία ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU), το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Καρλσρούης και το Πανεπιστήμιο της Βασιλείας διεξήγαγαν ενδελεχή μελέτη από 31 υπόγειους σταθμούς στάθμευσης σε πόλεις της Γερμανίας, της Αυστρίας και της Ελβετίας.

Σε έξι από αυτές τις τοποθεσίες, μετρήθηκαν επίσης οι θερμοκρασίες του κοντινού υπόγειου νερού. Από τα προφίλ θερμότητας που ετοίμασαν, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι υπόγειοι σταθμοί στάθμευσης θερμαίνουν συνεχώς το υπόγειο νερό καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτή η θερμότητα προέρχεται κυρίως από τις μηχανές των παρκαρισμένων αυτοκινήτων.

Ο Maximilian Noethen, γεωεπιστήμονας του MLU, εξήγησε: «Οι δημόσιοι υπόγειοι σταθμοί στάθμευσης συμβάλλουν περισσότερο στη θέρμανση του υπόγειου νερού από τους ιδιωτικούς, καθώς είναι συχνά πιο βαθιά και τα αυτοκίνητα παρκάρονται εκεί για μικρότερες χρονικές περιόδους.»

Οι ερευνητές επίσης τόνισαν το δυναμικό για αναχρησιμοποίηση αυτής της θερμικής ενέργειας. Για παράδειγμα, η ετήσια παραγωγή ενέργειας από τους υπόγειους σταθμούς στάθμευσης του Βερολίνου, σχεδόν 0,65 πετατζάουλ, θα μπορούσε θεωρητικά να παρέχει θερμότητα σε περίπου 14.660 νοικοκυριά.

Αναχρησιμοποίηση της Θερμότητας των Ηλεκτρονικών Συσκευών

Αυτή η μελέτη προέρχεται από τους φυσικούς που εργάζονται στο Πανεπιστήμιο Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) και στο Central South University στην Κίνα. Η μελέτη προτείνει τη δυνατότητα χρήσης της θερμότητας που παράγεται σε τεχνικές συσκευές για υπολογισμούς. Το μόνο που χρειάζεται είναι ο συνδυασμός συγκεκριμένων υλικών. 

Οι ηλεκτρονικές συσκευές θερμαίνονται λόγω του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει μέσα τους. Αυτή η θερμότητα διαχέεται και χάνεται στη διαδικασία. Σύμφωνα με τον Δρ. Jamal Berakdar, καθηγητή Φυσικής στο MLU, «Για δεκαετίες, οι άνθρωποι αναζητούν τρόπους να επαναχρησιμοποιήσουν αυτή τη χαμένη ενέργεια στα ηλεκτρονικά». 

Η νέα μέθοδος για την αναχρησιμοποίηση της θερμότητας προτείνει τη χρήση μη αγώγιμων μαγνητικών λωρίδων αντί των συμβατικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε συνδυασμό με κανονικούς μεταλλικούς διαχωριστές. «Η τεχνολογία μας μπορεί να συμβάλει στην εξοικονόμηση ενέργειας στην τεχνολογία της πληροφορίας αξιοποιώντας την πλεονάζουσα θερμότητα», εξηγεί ο Berakdar. 

Αλατιούσες Μπαταρίες για Αποθήκευση Θερμότητας

Αυτό το ερευνητικό κομμάτι είναι μια πρόσφατη ανάπτυξη καθώς η συγγραφέας της διπλωματικής, η διδακτορική ερευνήτρια του Πανεπιστημίου Radboud, Lian Blijlevens, ετοιμάζεται να υπερασπιστεί την έρευνά της για τη χρησιμότητα του αλατιού στην αποθήκευση θερμότητας. Το αλάτι που αναφέρεται δεν είναι το κοινό αλάτι του τραπεζιού, αλλά τύποι όπως το χλωριούχο στρόντιου. 

Ο πυρήνας της μελέτης της Blijlevens είναι η αλατιούσα μπαταρία, σχεδιασμένη να αποθηκεύει υδράτες αλατιού και άλατα που περιέχουν νερό σε κρυσταλλική μορφή. Η επαναφόρτιση αυτής της μπαταρίας περιλαμβάνει τη θέρμανση του αλατιού, η οποία εκτοπίζει το νερό από τους κρυστάλλους. 

«Όταν χρειάζεστε τη θερμότητα, προσθέτετε ατμό νερού στους κρυστάλλους και η θερμότητα απελευθερώνεται ξανά», καταλήγει η Blijlevens. 

Με αυτά τα ερευνητικά άρθρα που δείχνουν ένα ακμάζον καινοτομικό περιβάλλον σε αυτόν τον χώρο, ορισμένες λύσεις βοηθούν στην αναχρησιμοποίηση της θερμικής ενέργειας σε επιχειρηματικό επίπεδο. Συζητάμε μερικούς τέτοιους παρόχους λύσεων στα επόμενα τμήματα. 

Πάροχοι Λύσεων Αναχρησιμοποίησης Ενέργειας: Επιχειρηματικό Επίπεδο

#1. Calefa

Η Calefa είναι ένας πάροχος ολοκληρωμένων λύσεων με έδρα τη Φινλανδία για την ανακύκλωση της θερμότητας. Η προσφορά της περιλαμβάνει ένα μοντέλο μονάδας αντλίας θερμότητας AmbiHeat. Χρησιμοποιεί πηγές περιβάλλοντος ενέργειας και συστήματα ανακατασκευής για την ανακύκλωση της απορριπτέας θερμότητας. Δεδομένου ότι αναφέραμε τις αντλίες θερμότητας ως λύση, θα ήταν σκόπιμο να εξηγήσουμε σύντομα γιατί θεωρούνται μια κορυφαία επιλογή για τον έλεγχο κλίματος στο σπίτι. 

Οι αντλίες θερμότητας είναι πολυλειτουργικές συσκευές ελέγχου κλίματος που μεταφέρουν τη θερμότητα από μια τοποθεσία σε άλλη. Δεν παράγουν θερμότητα, μόνο τη μεταφέρουν, αποδεικνύοντας ότι είναι μια ενεργειακά αποδοτική επιλογή για θέρμανση ή ψύξη ενός σπιτιού. Το χειμώνα, αυτές οι αντλίες εξάγουν τη θερμότητα από το εξωτερικό και τη μεταφέρουν μέσα. Το καλοκαίρι, συμβαίνει το αντίστροφο. 

Σύμφωνα με τα δημοσιευμένα δεδομένα από τον οργανισμό, Calefa, τα τελευταία δέκα χρόνια, έχει παραδώσει σχεδόν 200 ενεργειακά συστήματα που χρησιμοποιούν απορριπτέα θερμότητα ή ενέργεια περιβάλλοντος. Έχει βοηθήσει να εξοικονομηθούν περισσότερα από US$34 εκατομμύρια σε χρηματικούς όρους, σχεδόν 650.000 MWh ενέργειας, και πάνω από 142 εκατομμύρια κιλά διοξειδίου του άνθρακα σε μειωμένες εκπομπές. 

#2. Heata

Heata, μια καινοτόμος startup με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο, ήρθε με την ιδέα χρήσης της θερμότητας που παράγεται από υπολογιστές για την παροχή δωρεάν ζεστού νερού. Η startup ξεκίνησε ως ένα καινοτομικό έργο με τη British Gas, για να βοηθήσει άτομα που ζουν σε έλλειψη καυσίμου ή σε φτώχεια ενέργειας. 

Εξέτασαν τον χώρο του blockchain και ενημερώθηκαν για τις μεγάλες ποσότητες ενέργειας που χρησιμοποιούσαν οι εξορύκτες Bitcoin και τις παρόμοιες μεγάλες ποσότητες απορριπτέας θερμότητας που παράγουν στη διαδικασία. Για να αναχρησιμοποιήσουν αυτή τη θερμότητα, η ομάδα Heata βύθισε τον Bitminer σε ορυκτό λάδι και τον συνέδεσε με έναν ακτινοβολητή για να δοκιμάσει τη δυνατότητα της ιδέας τους. 

Μόλις διαπίστωσαν ότι η ιδέα ήταν εφικτή, ενσωμάτωσαν κυλίνδρους ζεστού νερού όπου η ζήτηση είναι σχετικά σταθερή καθ’ όλη τη διάρκεια του έτους. Επίσης, μεταπήδησαν από την εξόρυξη Bitcoin σε γενικούς υπολογισμούς για να υποστηρίξουν τις προσπάθειες αποανθρακοποίησης σε αυτή τη βιομηχανία. 

Ιδρύθηκε το 2017 και έχει την έδρα της στο Godalming, Surrey, Ηνωμένο Βασίλειο, Heata δίνει τη δυνατότητα στις εταιρείες να μειώσουν το αποτύπωμα άνθρακα και εξοικονομεί στις οικογένειες έως £450 ετησίως στα λογαριασμούς ενέργειας. Η startup έκλεισε 1 εκατομμύριο λίρες seed χρηματοδότησης τον Οκτώβριο αυτού του έτους. 

Αναχρησιμοποίηση Θερμότητας Κέντρων Δεδομένων

Το Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ έχει σημειώσει τις τεχνολογικές εταιρείες που αξιοποιούν τα κέντρα δεδομένων τους – όπου φιλοξενούν τους διακομιστές τους – για τη θέρμανση σπιτιών και τη μείωση του διοξειδίου του άνθρακα. Πολλές πρωτοβουλίες διευκολύνουν αυτή τη διαδικασία, και σύμφωνα με την International Data Corporation, η αγορά θέρμανσης κέντρων δεδομένων θα μπορούσε να αξίζει US$2.5 billion μέχρι το 2025. 

Το Stockholm Data Parks είναι μια τέτοια πρωτοβουλία στη Σουηδία που βοηθά στη θέρμανση σπιτιών αξιοποιώντας την απορριπτέα θερμότητα που παράγεται από τα κέντρα δεδομένων του Στοκχόλμη. Στοχεύοντας φιλόδοξα, η πρωτοβουλία σχεδιάζει να καλύψει το 10% των συνολικών αναγκών θέρμανσης του Στοκχόλμη με αυτόν τον τρόπο έως το 2035. Αντανακλώντας αυτό το δυναμικό σε μεγαλύτερη κλίμακα, το think tank Energy Innovation σημειώνει ότι τα μεγαλύτερα κέντρα δεδομένων μπορούν να παράγουν πάνω από 100 megawatt ενέργειας, αρκετά για να τροφοδοτήσουν 80.000 σπίτια.

Η Switch Datacenters είναι μια άλλη εταιρεία με έδρα την Ολλανδία που έχει μειώσει την εξάρτησή της από το φυσικό αέριο, αντικαθιστώντας τις μονάδες γεννήτριας αερίου με θέρμανση κέντρου δεδομένων. Σύμφωνα με τον διευθύνοντα σύμβουλο της εταιρείας, είναι δυνατόν να παραδοθεί έως και το 97% της θερμότητας των διακομιστών σε σπίτια και γραφεία μέσω αυτού του συστήματος. 

Το Μέλλον: Η Παγκόσμια Τεχνολογική Γιγαντιαία Microsoft Κάνει το Άλμα

Η Microsoft έχει συνεργαστεί με τη Fortum, μια φινλανδική εταιρεία, για τη θέρμανση χιλιάδων σπιτιών στο Ελσίνκι, και καθώς η συνεργασία αποδεικνύεται επιτυχής, η Fortum αναμένει ότι η λύση της θα βοηθήσει στη θέρμανση του 40% των σπιτιών του Ελσίνκι. 

Προχωρώντας στην δέσμευσή τους για βιωσιμότητα, η Microsoft έχει αποφασίσει να τροφοδοτήσει δύο από τα νέα της κέντρα δεδομένων στο Ελσίνκι με ανανεώσιμη ενέργεια, μια απόφαση που προβλέπεται να μειώσει τις ετήσιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα κατά 400,000 tonnes. 

Ωστόσο, αυτή η περιβαλλοντική πρωτοβουλία είναι μόνο μία πτυχή της παγκόσμιας επιρροής της Microsoft. Η εταιρεία, γνωστή παγκοσμίως, ανέφερε US$211 δισεκατομμύρια σε έσοδα το οικονομικό έτος 2023 και λειτουργικό εισόδημα άνω των US$88 δισεκατομμυρίων. Η συμμετοχή της Microsoft στις προσπάθειες αναχρησιμοποίησης θερμικής ενέργειας όχι μόνο αναδεικνύει τις δεσμεύσεις της για βιωσιμότητα, αλλά προσδίδει επίσης σημαντική προβολή και προσαρμοστικότητα σε αυτές τις πρωτοβουλίες. 

Τώρα, επιστρέφοντας ξανά στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Η ενέργεια αξιοποιείται καλύτερα όταν οι προσπάθειες στοχεύουν στη μεταφορά της από μία μορφή σε άλλη. Η αναχρησιμοποίηση της θερμικής ενέργειας είναι ένα αποδοτικό βήμα προς αυτήν την κατεύθυνση. Δεν υπάρχει λόγος να μην δει σημαντική αύξηση στην υιοθέτησή της τα επόμενα χρόνια.