Thermische Energie Hergebruiken: Huisklimaatbeheersing, Parkeergarages en Computing

De wereldwijde markt voor thermische energieopslag kan in 2030 een waarde van US$8 miljard bereiken, vanuit een omvang van US$4,4 miljard in 2022, wat een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van ongeveer 7,7% betekent. De groeiende vraag naar opslag duidt op een consistent toenemend gebruik van thermische energie. 

Maar wat is thermische energie precies, en hoe slaan we het op? We zullen dieper ingaan in de komende segmenten om deze vragen te beantwoorden en te zien hoe thermische energie efficiënte energiegebruikparadigma’s creëert voor de behoeften van onze moderne wereld. 

Een Korte Geschiedenis van Thermische Energie

De geschiedenis van het herkennen van thermische energie en het potentieel ervan gaat terug tot 1847. De eer gaat toe aan de wereldwijd gerespecteerde Engelse natuurkundige en wiskundige James Prescott Joule. 

Kort gezegd ontdekte Joule de relatie tussen warmte en mechanische energie, wat uiteindelijk leidde tot de wet van behoud van energie, ook wel de eerste wet van de thermodynamica genoemd. De wet stelt dat energie van de ene vorm naar de andere kan worden omgezet, maar niet kan worden gecreëerd of vernietigd. 

Hoe wetenschapper Joule tot deze baanbrekende conclusie kwam, was een spannend experiment dat ons kan helpen de aard van wat we vandaag kennen als thermische energie te begrijpen. 

In zijn experiment matte Joule de hoeveelheid werk die een elektrische motor moest verrichten om de temperatuur van een bepaald volume water met één graad te verhogen. Hij matte ook de temperatuurstijging in water wanneer het door een geperforeerde cilinder stroomde en de warmte die werd gegenereerd bij het comprimeren van een gas. 

Tijdens zijn onderzoek ontdekte hij dat de hoeveelheid mechanische energie die op de vloeistof werd toegepast altijd gelijk was aan de gegenereerde warmte‑energie, wat aangeeft dat het hergebruiken van energie van de ene vorm naar de andere mogelijk is. 

In bredere zin zei het experiment veel over ons universum en zijn energiesysteem. Het toonde, vooral, aan dat de totale energie in het universum constant blijft, waarbij één vorm van energie wordt omgezet in een andere vorm. 

Joule’s ontdekking gaf aanleiding tot een volledige studierichting die bekend staat als thermodynamica. We hebben de eerste wet van het paradigma al gezien. Er zijn nog drie andere wetten. Deze vier basiswetten bepalen de contouren van de thermodynamica die zich bezighoudt met warmte, arbeid en temperatuur en hoe hun onderlinge dynamiek de begrippen energie, straling en fysieke eigenschappen van materie beïnvloedt. 

Het is cruciaal om thermodynamica te begrijpen om het volledige potentieel van thermische energie en de manieren waarop het onze processen kan ondersteunen, te doorgronden. In essentie legt thermodynamica uit hoe thermische energie wordt omgezet in andere vormen en omgekeerd. Thermische energie ontstaat uit warmte die wordt geproduceerd door de beweging van deeltjes binnen een object. Hoe sneller de beweging, hoe meer warmte er wordt gegenereerd. 

Klik hier voor de lijst van de tien beste duurzame energieaandelen.

De Wetenschap Achter Thermische Energieproductie: Conductie, Convectie, Straling

Bewegende deeltjes of moleculen veroorzaken warmte. Maar er zijn minstens drie manieren waarop deze bewegingen warmte kunnen genereren. 

Bij het conductieproces wordt warmte gegenereerd door de beweging van de bestanddelen zonder dat het lichaam beweegt. Een praktisch voorbeeld van warmteproductie door conductie is de temperatuurstijging van een roestvrijstalen lepel wanneer deze een tijdje in een kookpot wordt geplaatst terwijl de pot van onderaf wordt verwarmd. 

Het convectieproces is waarbij de energietransfer plaatsvindt tussen een vast oppervlak en een bewegende vloeistof of gas. Het verwarmen van water door het in een pan te plaatsen en direct warmte op de pan toe te passen, is een voorbeeld van het convectieproces van energietransfer. 

Ten slotte, bij het stralingsproces hoeven twee lichamen of stoffen niet in contact te staan om warmte of thermische energie uit te wisselen. Een typisch voorbeeld hiervan is het smelten van ijs door een gloeilamp in de buurt te houden. Hoewel de lamp en het ijs elkaar nooit raken, smelt het ijs. 

Hoewel deze methoden achter de productie van thermische energie niet met het blote oog zichtbaar zijn en alleen kunnen worden waargenomen via hun externe of fysieke manifestaties, zijn de voorbeelden van thermische energie vaak gemakkelijk te herkennen wanneer we ermee in interactie komen. 

Bijvoorbeeld, zonne‑straling verwarmt onze atmosfeer, en we voelen ons daardoor warm. Evenzo bestaat er geothermische energie, die intensieve warmte is die continu naar buiten stroomt vanuit de diepe aarde. Het verval van radioactieve elementen in de gesteenten is de belangrijkste bron van deze warmte. Dan is er het oppervlak van zeewater, dat een enorm potentieel heeft voor thermische energieopslag omdat het direct wordt blootgesteld aan zonnestralen gedurende een lange periode. Brandstofcellen helpen ook om de energie die uit thermische energie wordt geproduceerd te benutten.

Thermische Energie Hergebruiken: Wereldwijde Inspanningen

Volgens het principe wordt energie van de ene vorm naar de andere omgezet. Het hergebruiken van energie is dus in lijn met onze natuurlijke wetenschapsprincipes. Het is een efficiënte manier om het ware potentieel van energie te benutten door verder te gaan dan de directe toepassing. We bekijken enkele voorbeelden van hergebruikte thermische energie. 

Thermische Energie Gegenereerd in Ondergrondse Parkeergarages om Grondwater te Verwarmen

Een team van onderzoekers van de Martin Luther Universiteit Halle‑Wittenberg (MLU), het Karlsruhe Institute of Technology en de Universiteit van Basel voerde een diepgaand onderzoek uit naar 31 ondergrondse parkeergarages in steden in Duitsland, Oostenrijk en Zwitserland.

In zes van deze locaties maten ze ook de temperatuur van het nabijgelegen grondwater. Uit de door hen opgestelde warmteprofielen concludeerden ze dat ondergrondse parkeergarages het grondwater het hele jaar door consequent verwarmen. Het is belangrijk op te merken dat deze warmte voornamelijk afkomstig is van de motoren van geparkeerde auto’s.

Maximilian Noethen, een geowetenschapper van MLU, legde uit: “Openbare ondergrondse parkeergarages dragen meer bij aan de verwarming van grondwater dan particuliere, omdat ze vaak dieper liggen en auto’s daar voor kortere periodes geparkeerd staan.”

De onderzoekers wezen ook op het potentieel om deze thermische energie te hergebruiken. Bijvoorbeeld, de jaarlijkse energieopbrengst van de ondergrondse parkeergarages in Berlijn, bijna 0,65 petajoule, zou theoretisch voldoende warmte kunnen leveren voor ongeveer 14.660 huishoudens.

Het Hergebruiken van de Warmte van Elektronische Apparaten

Deze studie kwam van de natuurkundigen van de Martin Luther Universiteit Halle‑Wittenberg (MLU) en de Central South University in China. De studie stelt de haalbaarheid voor om de warmte die in technische apparaten wordt gegenereerd te gebruiken voor computing. Alles wat nodig is, is het combineren van specifieke materialen. 

Elektronische apparaten warmen op door de elektrische stroom die erdoorheen loopt. Deze warmte wordt afgevoerd en gaat verloren in het proces. Volgens Dr. Jamal Berakdar, professor in de natuurkunde aan MLU, “Mensen zoeken al decennialang naar manieren om deze verloren energie in elektronica opnieuw te gebruiken.” 

De nieuwe methode voor het hergebruiken van warmte stelt het gebruik van niet‑geleidend magnetische strips in plaats van conventionele elektronische circuits voor, in combinatie met normale metalen afstandhouders. “Onze technologie kan bijdragen aan energiebesparing in de informatietechnologie door overtollige warmte goed te benutten,” legt Berakdar uit. 

Zoutbatterijen om Warmte op te Slaan

Dit onderzoeksstuk is een recente ontwikkeling aangezien de auteur van de scriptie, PhD‑onderzoeker Lian Blijlevens van de Radboud Universiteit, haar onderzoek naar de bruikbaarheid van zout voor warmteopslag gaat verdedigen. Het betreffende zout is niet de gewone tafelzoutvariant, maar soorten zoals strontiumchloride. 

De kern van Blijlevens’ onderzoek is de zoutbatterij, ontworpen om zouthydrataten en waterhoudende zouten in kristallijne vorm op te slaan. Het opladen van deze batterij omvat het verwarmen van het zout, waardoor water uit de kristallen wordt verdreven. 

“Wanneer je de warmte nodig hebt, voeg je waterdamp toe aan de kristallen, en wordt de warmte opnieuw vrijgegeven,” concludeert Blijlevens. 

Met deze onderzoeksartikelen die een bloeiende innovatie‑atmosfeer in dit domein laten zien, zijn er enkele oplossingen die thermische energie op ondernemingsniveau helpen hergebruiken. We bespreken enkele van deze oplossingsproviders in de volgende segmenten.

Oplossingsproviders voor Energiehergebruik: Ondernemingsniveau

#1. Calefa

Calefa is een in Finland gevestigd turnkey‑oplossingsprovider voor het recyclen van warmte. Het aanbod omvat een modulair AmbiHeat‑warmtepompinstallatie. Het maakt gebruik van omgevingsenergiebronnen en retrofit‑systemen om afvalwarmte te recyclen. Aangezien we warmtepompen als oplossing hebben genoemd, is het relevant om kort uit te leggen waarom ze worden beschouwd als een topoptie voor huisklimaatbeheersing. 

Warmtepompen zijn multifunctionele klimaatbeheersingsapparaten die warmte van de ene locatie naar de andere verplaatsen. Ze genereren geen warmte, alleen verplaatsen ze, wat een energie‑efficiënte keuze is om een huis te verwarmen of te koelen. In de winter onttrekken deze pompen warmte van buiten en brengen die naar binnen. In de zomer gebeurt het omgekeerde. 

Volgens door de organisatie gepubliceerde gegevens heeft Calefa in de afgelopen tien jaar bijna 200 energiesystemen geleverd die afvalwarmte of omgevingsenergie benutten. Het heeft meer dan US$34 miljoen aan kosten bespaard, bijna 650.000 MWh energie, en meer dan 142 miljoen kilogram CO₂-reductie gerealiseerd. 

#2. Heata

Heata, een in het VK gevestigde innovatieve startup, bedacht het idee om de warmte die door computers wordt gegenereerd te gebruiken om gratis warm water aan te bieden. De startup kwam van start als een innovatieproject met British Gas, om mensen die te maken hebben met brandstoftekort of brandstofarmoede te helpen. 

Ze onderzochten de blockchain‑sector en ontdekten de enorme hoeveelheden energie die Bitcoin‑miners verbruikten en de even grote hoeveelheden afvalwarmte die ze daarbij genereerden. Om deze warmte te hergebruiken, dompelde het Heata‑team de Bitminer onder in minerale olie en koppelde deze aan een radiator om de haalbaarheid van hun idee te testen. 

Toen ze het idee uitvoerbaar vonden, brachten ze warmwatercilinders in, waar de vraag het hele jaar door redelijk constant is. Ze stapten ook over van Bitcoin‑mining naar algemene computing om de decarbonisatie‑inspanningen in deze sector te ondersteunen. 

Opgericht in 2017 en gevestigd in Godalming, Surrey, Verenigd Koninkrijk, stelt Heata bedrijven in staat hun CO₂‑voetafdruk te verkleinen en bespaart gezinnen tot £450 per jaar op hun energierekening. De startup sloot in oktober van dit jaar een seed‑financiering van 1 miljoen pond af. 

Het Hergebruiken van Data‑Centrum Warmte

Het World Economic Forum heeft aandacht voor technologiebedrijven die hun datacenters – waar hun servers staan – gebruiken om huizen te verwarmen en CO₂ te verminderen. Diverse initiatieven faciliteren dit proces, en volgens de International Data Corporation zou de markt voor datacentrumverwarming tegen 2025 een waarde van US$2,5 miljard kunnen hebben. 

Stockholm Data Parks is een dergelijk initiatief in Zweden dat huizen helpt verwarmen door de afvalwarmte van de datacenters in Stockholm te benutten. Met een ambitieuze doelstelling wil het initiatief tegen 2035 10 % van de totale verwarmingsbehoefte van Stockholm op deze manier dekken. Op grotere schaal bevestigt de denktank Energy Innovation dat de grootste datacenters meer dan 100 megawatt aan energie kunnen genereren, genoeg om 80.000 huizen van stroom te voorzien. 

Switch Datacenters is een ander in Nederland gevestigd bedrijf dat zijn afhankelijkheid van aardgas heeft verminderd door gasgeneratoren te vervangen door datacentrumverwarming. Volgens de CEO van het bedrijf is het mogelijk om tot 97 % van de serverwarmte via dit systeem aan woningen en kantoren te leveren. 

De Toekomst: Wereldwijde Techgigant Microsoft Zet de Sprong

Microsoft (MSFT ) heeft een partnerschap met Fortum, een Fins bedrijf, om duizenden huizen in Helsinki te verwarmen, en nu de samenwerking vruchtbaar blijkt, verwacht Fortum dat haar oplossing 40 % van de huizen in Helsinki kan verwarmen. 

Ter versterking van hun inzet voor duurzaamheid heeft Microsoft nu besloten om twee van hun nieuwe datacenters in Helsinki van hernieuwbare energie te voorzien, een beslissing die naar verwachting de jaarlijkse CO₂‑uitstoot met 400.000 ton zal verminderen. 

Deze milieuvriendelijke initiatief is echter slechts één aspect van de wereldwijde invloed van Microsoft. Het bedrijf, wereldwijd bekend, rapporteerde een omzet van US$211 billion in het fiscale jaar 2023 en een operationele winst van meer dan US$88 billion. De betrokkenheid van Microsoft bij inspanningen om thermische energie te hergebruiken benadrukt niet alleen hun duurzaamheidsverbintenissen, maar geeft ook aanzienlijke zichtbaarheid en flexibiliteit aan deze ondernemingen. 

Laten we nu terugkeren naar de eerste wet van de thermodynamica. Energie wordt het best benut wanneer de inspanningen gericht zijn op het verplaatsen ervan van de ene vorm naar de andere. Het hergebruiken van thermische energie is een efficiënte stap in die richting. Er is geen reden waarom het de komende jaren geen aanzienlijke groei in adoptie zou moeten zien.