Lämpöenergian uudelleenkäyttö: kodin ilmastointi, parkkihallit ja tietojenkäsittely

Maailmanlaajuinen lämpöenergian varastointimarkkina voi saavuttaa US$8 billion vuoteen 2030 mennessä 4,4 billion US$:n koosta vuonna 2022, mikä on noin 7,7 %:n vuosittainen yhteenlaskettu kasvuvauhti (CAGR). Kasvava varastointatarve osoittaa jatkuvasti kasvavaa lämpöenergian käyttöä. 

Mutta mitä tarkalleen ottaen lämpöenergia on, ja miten sitä varastoidaan? Syvennymme seuraavissa osioissa näiden kysymysten ytimeen nähdäksesi, miten lämpöenergia luo tehokkaita energian käyttöparadigmoja nykyaikaisen maailmamme tarpeisiin. 

Lämpöenergian lyhyt historia

Lämpöenergian tunnistamisen ja sen potentiaalin historia ulottuu vuoteen 1847. Kiitos kuuluu maailmanlaajuisesti arvostetulle englantilaiselle fyysikolle ja matemaatikolle James Prescott Joulelle. 

Yksinkertaisesti sanottuna Joule paljasti lämmön ja mekaanisen energian välisen suhteen, mikä johti energian säilymislakiin, eli termodynamiikan ensimmäiseen lakiin. Lain mukaan energiaa voidaan muuntaa muodosta toiseen, mutta sitä ei voida luoda tai tuhota. 

Miten tiedemies Joule saavutti tämän mullistavan johtopäätöksen, oli jännittävä kokeilu, joka auttaa meitä ymmärtämään sen, mitä tänään tiedämme lämpöenergiasta. 

Kokeessaan Joule mittasi, kuinka paljon työtä sähkömoottorin tulisi tehdä nostamaan tietyn vesimäärän lämpötila yhdellä asteella. Hän mittasi myös veden lämpötilan nousun, kun vesi kulki läpikuultavan sylinterin läpi, sekä lämmön, joka syntyy kaasun puristuksessa. 

Tutkimuksensa aikana hän havaitsi, että nesteeseen kohdistettu mekaaninen energia oli aina yhtä suuri kuin syntynyt lämpöenergia, mikä osoittaa, että energian uudelleenkäyttö on mahdollista muodosta toiseen. 

Laajemmassa merkityksessä kokeilu kertoi paljon universumistamme ja sen energiajärjestelmästä. Se osoitti, erityisesti, että koko universumin energia pysyy vakiona, ja yksi energiamuoto muuntuu toiseen. 

Joulen löytö synnytti täysimittaisen tutkimusalan, joka tunnetaan termodynamiikkana. Olemme jo nähneet paradigman ensimmäisen lain. Siinä on kolme muuta lakia. Nämä neljä peruslakia määrittelevät termodynamiikan rajat, jotka käsittelevät lämpöä, työtä ja lämpötilaa sekä niiden välisiä dynamiikkoja, jotka vaikuttavat energian, säteilyn ja aineen fysikaalisten ominaisuuksien käsitteisiin. 

On elintärkeää ymmärtää termodynamiikka, jos haluaa täysin käsittää lämpöenergian potentiaalin ja sen tarjoamat mahdollisuudet prosesseissamme. Termodynamiikka selittää perimmiltään, miten lämpöenergia muuntuu muihin muotoihin ja päinvastoin. Lämpöenergia syntyy kappaleen sisäisten hiukkasten liikkeestä. Mitä nopeampaa liike, sitä enemmän lämpöä syntyy. 

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon kymmenestä parhaasta uusiutuvan energian osakkeesta.

Lämpöenergian tuotannon tiede: johtuminen, konvektio, säteily

Liikkuvat hiukkaset tai molekyylit synnyttävät lämpöä. Mutta on olemassa vähintään kolme tapaa, joilla nämä liikkeet voivat tuottaa lämpöä. 

Johtumisprosessissa lämpö syntyy hiukkasten liikkeestä ilman, että kappale liikkuu. Esimerkkinä johtumisen aiheuttamasta lämmönsynnystä on se, että ruostumattomasta teräksestä valmistettu lusikka lämpenee, kun se jätetään hetken ajaksi keittoastian sisään, kun keittoastia edelleen kuumenee alhaalta. 

Konvektiossa energian siirto tapahtuu kiinteän pinnan ja liikkuvan nesteen tai kaasun välillä. Veden lämmittäminen laittamalla se pannuun ja lämmittämällä pannua suoraan on esimerkki konvektioprosessista energiansiirrossa. 

Lopuksi säteilyprosessissa lämmön tai lämpöenergian vaihtamiseen kahden kappaleen tai aineen ei tarvitse olla kosketuksessa toisiinsa. Tyypillinen esimerkki tästä prosessista on jään sulattaminen pitämällä hehkulamppu lähellä sitä. Vaikka lamppu ja jää eivät koskaan kosketa toisiaan, jää sulaa. 

Vaikka nämä lämpöenergian tuotantomenetelmät eivät ole ihmisen silmälle näkyviä ja ne voidaan havaita vain niiden ulkoisista tai fyysisistä ilmenemismuodoista, lämpöenergian esimerkit ovat usein helposti tunnistettavissa, kun olemme vuorovaikutuksessa niiden kanssa. 

Esimerkiksi aurinkosäteily lämmittää ilmakehäämme, ja tunnemme sen lämmön. Samoin on geoterminen energia, joka on voimakasta lämpöä, joka virtaa jatkuvasti ulos maapallon syvältä. Kivien sisältämien radioaktiivisten alkuaineiden hajoaminen on tämän lämmön pääasiallinen lähde. Lisäksi meriveden pinta-alueella on valtava lämpöenergian varastointipotentiaali, koska se on suoraan auringon säteilyyn pitkään altistettuna. Polttokennoillakin voidaan hyödyntää lämpöenergiasta tuotettua energiaa. 

Lämpöenergian uudelleenkäyttö: pyrkimyksiä ympäri maailmaa

Periaatteessa energia muuntuu muodosta toiseen. Energian uudelleenkäyttö on siis linjassa luonnontieteellisten periaatteidemme kanssa. Se on tehokas tapa hyödyntää energian todellinen potentiaali ylittämällä sen välittömän sovelluksen. Tarkastelemme joitakin esimerkkejä uudelleenkäytetystä lämpöenergiasta. 

Alikulkukarsintapysäköintien tuottama lämpöenergia maanalaisen veden lämmittämiseen

Martin Luther -yliopisto Halle-Wittenbergin (MLU), Karolinan teknillisen yliopiston ja Baselin yliopiston tutkijaryhmä suoritti perusteellisen tutkimuksen 31 alikulkukarsintapysäköinnistä Saksan, Itävallan ja Sveitsin kaupungeissa.suoritti syväluotaavan tutkimuksen 31 alikulkukarsintapysäköinnistä eri kaupungeissa Saksassa, Itävallassa ja Sveitsissä.

Kuudessa näistä paikoista he mittasivat myös lähellä olevan maaperän veden lämpötilaa. Laadituista lämpöprofiileista he päättelivät, että alikulkukarsintapysäköinnit lämmittävät maanalaisen veden tasaisesti vuoden ympäri. On tärkeää huomata, että tämä lämpö tulee pääasiassa pysäköityjen autojen moottoreista.

MLU:n geotieteilijä Maximilian Noethen selitti, “Julkiset alikulkukarsintapysäköinnit vaikuttavat maaperän veden lämmittämiseen enemmän kuin yksityiset, koska ne ovat usein syvempiä ja autot pysäköidään siellä lyhyemmäksi aikaa.”

Tutkijat korostivat myös tämän lämpöenergian uudelleenkäytön potentiaalia. Esimerkiksi Berliinin alikulkukarsintapysäköintien vuotuinen energian tuotanto, lähes 0,65 petajoulea, voisi teoreettisesti lämmittää noin 14 660 kotitaloutta.

Elektronisten laitteiden lämmön uudelleenkäyttö

Tämä tutkimus on peräisin Martin Luther -yliopisto Halle-Wittenbergin (MLU) ja Kiinan Central South Universityn fyysikoilta. Tutkimus ehdottaa, että teknisten laitteiden tuottaman lämmön hyödyntäminen laskentatehtävissä on toteuttamiskelpoinen. Tarvitaan vain tiettyjen materiaalien yhdistäminen. 

Elektroniset laitteet lämpenevät sähkövirran kulkiessa niiden läpi. Tämä lämpö hajoaa ja häviää prosessissa. MLU:n fysiikan professorin Dr. Jamal Berakdarin mukaan “Vuosikymmenten ajan ihmiset ovat etsineet tapoja käyttää uudelleen tätä häviävää energiaa elektroniikassa.” 

Uusi lämmön uudelleenkäyttömenetelmä ehdottaa ei-johtavien magneettinauhojen käyttöä perinteisten elektronisten piirikorttien sijaan yhdessä tavallisten metallivälitteiden kanssa. “Teknologiamme voi edistää energiansäästöä tietotekniikassa hyödyntämällä ylijäämälämpöä tehokkaasti,” selittää Berakdar. 

Suolapaketit lämmön varastointiin

Tämä tutkimus on tuore kehitys, sillä väitöskirjan kirjoittaja, Radboudin yliopiston tohtorikoulutuksen tutkija Lian Blijlevens, on puolustamassa tutkimustaan suolan hyödyllisyydestä lämmön varastoinnissa. Kyseinen suola ei ole tavallinen ruokasuola, vaan esimerkiksi strontiumkloridia. 

Blijlevensin tutkimuksen ydin on suolapakka, joka on suunniteltu varastoimaan suolahydraatteja ja vesipitoisia suoloja kiteisessä muodossa. Pakkauksen lataaminen tapahtuu lämmittämällä suolaa, jolloin vesi poistuu kiteistä. 

“Kun lämpöä tarvitaan, lisäät vesihöyryä kiteisiin, ja lämpö vapautuu uudelleen,” lopettaa Blijlevens. 

Näiden tutkimuspaperien osoittaessa kukoistavaa innovaatiotunnelmaa tällä alalla, jotkut ratkaisut auttavat uudelleenkäyttämään lämpöenergiaa yritystasolla. Keskustelemme joistakin tällaisista ratkaisuntarjoajista seuraavissa osioissa. 

Energian uudelleenkäyttöratkaisujen tarjoajat: yritystaso

#1. Calefa

Calefa on Suomessa toimiva kokonaisratkaisuja tarjoava yritys lämmön kierrätykseen. Sen tarjontaan kuuluu modulaarinen AmbiHeat-lämpöpumppulaitos. Se hyödyntää ympäristön energialähteitä ja jälkiasennusjärjestelmiä jätelämmön kierrättämiseen. Koska mainitsimme lämpöpumput ratkaisuna, olisi aiheellista lyhyesti selittää, miksi ne katsotaan parhaaksi vaihtoehdoksi kodin ilmastoinnissa. 

Lämpöpumput ovat monikäyttöisiä ilmastointilaitteita, jotka siirtävät lämpöä paikasta toiseen. Ne eivät tuota lämpöä, vaan siirtävät sitä, mikä tekee niistä energiatehokkaan valinnan kodin lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen. Talvella nämä pumput ottavat lämpöä ulkopuolelta ja siirtävät sen sisälle. Kesällä tapahtuu päinvastaista. 

Organisaation julkaisemien tietojen mukaan Calefa on viimeisen kymmenen vuoden aikana toimittanut lähes 200 energiajärjestelmää, jotka hyödyntävät jätelämpöä tai ympäristöenergiaa. Se on auttanut säästämään yli 34 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria rahassa, lähes 650 000 MWh energiaa ja yli 142 miljoonaa kilogrammaa hiilidioksidia vähentyneinä päästöinä. 

#2. Heata

Heata on Yhdistyneessä kuningaskunnassa toimiva innovatiivinen startup, joka keksi idean käyttää tietokoneiden tuottamaa lämpöä tarjoamaan ilmaista kuumaa vettä. Startup nousi käyntiin innovaatioprojektina British Gasin kanssa auttaakseen ihmisiä, jotka kärsivät polttoainepulaa tai polttoaineköyhyyttä. 

He tutkivat lohkoketjua ja saivat tietää Bitcoin-kaivosten käyttämän suuren energiamäärän sekä samalla syntyvän suuren jätelämmön. Lämpöä uudelleenkäyttääkseen Heata-tiimi upotti Bitminerin mineraaliöljyyn ja kytki sen patteriin testatakseen ideansa toteutettavuutta. 

Kun he havaitsivat idean toteutettavaksi, he ottivat käyttöön kuumavesisäiliöt, joissa kysyntä on melko tasainen vuoden ympäri. He siirtyivät myös Bitcoin-kaivoksesta yleiseen laskentaan tukeakseen alan hiilidioksidipäästöjen vähentämistoimia. 

Vuonna 2017 perustettu ja Godalmingissa, Surreyssa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa sijaitseva Heata antaa yrityksille mahdollisuuden vähentää hiilijalanjälkeään ja säästää perheille jopa £450 vuodessa energialaskuissa. Startup sulki lokakuussa tänä vuonna miljoona puntaa siemenrahoitusta. 

Datakeskusten lämmön uudelleenkäyttö

Maailman talousfoorumi on huomannut teknologia-alan yritykset, jotka hyödyntävät datakeskuksiaan – palvelimiaan – lämmittääkseen koteja ja vähentääkseen hiilidioksidia. Useat aloitteet helpottavat tätä prosessia, ja International Data Corporationin mukaan datakeskusten lämmitysmarkkinat voivat olla arvoltaan 2,5 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuoteen 2025 mennessä. 

Stockholm Data Parks on yksi tällainen aloitte, joka Ruotsissa lämmittää taloja hyödyntämällä Tukholman datakeskusten tuottamaa jätelämpöä. Tavoitteena on kunnianhimoisesti kattaa 10 % Tukholman koko lämmitystarpeesta tällä tavalla vuoteen 2035 mennessä. Laajemmassa mittakaavassa Energy Innovation -tutkimuslaitos huomauttaa, että suurimmat datakeskukset voivat tuottaa yli 100 megawattia energiaa, mikä riittää lämmittämään 80 000 kotia. 

Switch Datacenters on toinen Alankomaissa toimiva yritys, joka on vähentänyt riippuvuuttaan maakaasusta korvaamalla kaasugeneraattorit datakeskusten lämmityksellä. Yrityksen toimitusjohtajan mukaan on mahdollista toimittaa jopa 97 % palvelimien lämmöstä koteihin ja toimistoihin tämän järjestelmän avulla. 

Tulevaisuus: globaali teknologiavahva Microsoft tekee harppauksen

Microsoft (MSFT ) on tehnyt yhteistyön Fortumin, suomalaisen yrityksen, kanssa lämmittääkseen tuhansia koteja Helsingissä, ja kun yhteistyö osoittautuu menestyksekkääksi, Fortum odottaa ratkaisunsa lämmittävän 40 % Helsingin kodeista. 

Vahvistaen sitoutumistaan kestävyyteen, Microsoft on nyt päättänyt käyttää uusiutuvaa energiaa kahden Helsinkiin rakennettavan uuden datakeskuksensa voimanlähteenä, päätös jonka odotetaan vähentävän vuotuiset hiilidioksidipäästöt 400 000 tonnia. 

Kuitenkin tämä ympäristöaloite on vain yksi osa Microsoftin globaalia vaikutusvaltaa. Maailmanlaajuisesti tunnettu yritys raportoi 211 miljardia Yhdysvaltain dollaria liikevaihtoa tilikaudella 2023 ja yli 88 miljardia dollaria liiketulosta. Microsoftin osallistuminen lämpöenergian uudelleenkäyttöön korostaa sen kestävän kehityksen sitoumuksia ja antaa merkittävää näkyvyyttä ja mukautuvuutta näille hankkeille. 

Palatkaamme nyt jälleen termodynamiikan ensimmäiseen lakiin. Energiaa hyödynnetään parhaiten, kun pyrkimykset kohdistuvat sen siirtämiseen muodosta toiseen. Lämpöenergian uudelleenkäyttö on tehokas askel tähän suuntaan. Ei ole syytä, miksei sen omaksuminen kasvaisi merkittävästi tulevina vuosina.