Gjenbruk av termisk energi: Klimakontroll i hjemmet, parkeringshus og databehandling

Det globale markedet for lagring av termisk energi kan nå US$8 billion i 2030 fra en størrelse på US$4.4 billion i 2022, noe som tilsvarer en sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på omtrent 7.7 %. Den økende etterspørselen etter lagring indikerer en jevnt voksende bruk av termisk energi. 

Men hva er egentlig termisk energi, og hvordan lagrer vi den? Vi vil gå dypere inn i de kommende delene for å komme til bunns i disse spørsmålene og se hvordan termisk energi skaper effektive energibruksparadigmer for våre moderne verdensbehov. 

Den korte historien om termisk energi

Historien om å anerkjenne termisk energi og dens potensial går tilbake til 1847. Kreditt går til den verdensomspennende anerkjente engelske fysikeren og matematikeren James Prescott Joule. 

For å si det enkelt, oppdaget Joule sammenhengen mellom varme og mekanisk energi, noe som til slutt førte til loven om energibevaring, også kjent som den første loven i termodynamikken. Loven sier at energi kan omdannes fra én form til en annen, men kan ikke skapes eller destrueres. 

Hvordan vitenskapsmannen Joule nådde denne banebrytende konklusjonen var gjennom et spennende eksperiment som kan hjelpe oss å forstå naturen til det vi i dag kjenner som termisk energi. 

I sitt eksperiment målte Joule hvor mye arbeid en elektrisk motor måtte utføre for å heve temperaturen på et bestemt volum vann med én grad. Han målte også temperaturøkningen i vannet når det passerte gjennom en perforert sylinder, samt varmen som ble generert ved komprimering av en gass. 

Under forskningen oppdaget han at mengden mekanisk energi som ble påført væsken alltid var lik den genererte varmen, noe som indikerer at ombruk av energi fra én form til en annen er mulig. 

I bredere forstand sa eksperimentet mye om vårt univers og dets energisystem. Det viste, viktigst av alt, at den totale energien i universet forblir konstant, med én energiform som omdannes til en annen. 

Joules oppdagelse ga opphav til en fullverdig studieretning kjent som termodynamikk. Vi har allerede sett den første loven i paradigmet. Den har tre ytterligere lover. Disse fire grunnleggende lovene definerer rammene for termodynamikk, som omhandler varme, arbeid og temperatur, og hvordan deres interaksjoner påvirker begrepene energi, stråling og fysiske egenskaper ved materie. 

Det er avgjørende å forstå termodynamikk for fullt å kunne forstå potensialet til termisk energi og hvordan den kan hjelpe våre prosesser. I kjernen forklarer termodynamikk hvordan termisk energi omdannes til andre former og omvendt. Termisk energi kommer fra varmen som produseres av partikkelbevegelser innenfor et objekt. Jo raskere bevegelsen er, desto mer varme genereres. 

Klikk her for listen over de ti beste fornybare energiaktiene.

Vitenskapen bak generering av termisk energi: Ledning, konveksjon, stråling

Bevegelige partikler eller molekyler gir opphav til varme. Men det finnes minst tre måter disse bevegelsene kan generere varme på. 

I ledningsprosessen genereres varme fra bevegelsen til de enkelte partiklene uten at kroppen beveger seg. Et praktisk eksempel på varmegenerering ved ledning er temperaturøkningen i en rustfri stålskje når den legges i en gryte som varmes fra bunnen. 

Konveksjonsprosessen er der energioverføringen skjer mellom en fast overflate og en bevegelig væske eller gass. Å varme opp vann ved å legge det i en panne og påføre varme direkte på pannen er et eksempel på konveksjonsprosessen for energioverføring. 

Til slutt, i strålingsprosessen, trenger to legemer eller stoffer ikke å være i kontakt for at varme eller termisk energi skal utveksles. Et typisk eksempel på denne prosessen er å smelte is ved å holde en glødelampe i nærheten av den. Selv om lampen og isen aldri berører hverandre, smelter isen. 

Selv om disse metodene for generering av termisk energi ikke er synlige for det menneskelige øye og kun kan forstås gjennom deres eksterne eller fysiske manifestasjoner, er eksemplene på termisk energi ofte lett gjenkjennelige når vi interagerer med dem. 

For eksempel varmer solstråling atmosfæren vår, og vi føler oss varme som et resultat. På samme måte finnes også geotermisk energi, som er intens varme som kontinuerlig strømmer ut fra dypet av jorden. Nedbrytning av radioaktive elementer i bergarten er den primære kilden til denne typen varme. Deretter er havoverflaten, som har et enormt potensial for lagring av termisk energi fordi den er direkte eksponert for solstråler over en lang periode. Brenselceller hjelper også med å utnytte energien som produseres fra termisk energi. 

Gjenbruk av termisk energi: Innsatser over hele verden

I prinsippet konverteres energi fra én form til en annen. Gjenbruk av energi er derfor i tråd med våre naturvitenskapelige prinsipper. Det er en effektiv måte å utnytte den sanne potensialet til energi ved å gå utover dens umiddelbare anvendelse. Vi vil se på noen eksempler på gjenbrukt termisk energi. 

Termisk energi generert i underjordiske parkeringshus for å varme opp grunnvann

Et team av forskere fra Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), Karlsruhe Institute of Technology og University of Basel gjennomførte en grundig studie av 31 underjordiske parkeringshus i byer i Tyskland, Østerrike og Sveits. gjorde en grundig studie av 31 underjordiske parkeringshus i byer i Tyskland, Østerrike og Sveits.

I seks av disse stedene målte de også temperaturen på nærliggende grunnvann. Fra varmeprofilene de utarbeidet kom de til konklusjonen at underjordiske parkeringshus jevnlig varmer opp grunnvannet gjennom hele året. Det er viktig å merke seg at denne varmen hovedsakelig stammer fra motorene til de parkerte bilene.

Maximilian Noethen, en geovitenskapsmann ved MLU, forklarte: «Offentlige underjordiske parkeringshus bidrar mer til oppvarming av grunnvann enn private, da de ofte er dypere og bilene parkeres der i kortere perioder.»

Forskerne påpekte også potensialet for å gjenbruke denne termiske energien. For eksempel kunne den årlige energiproduksjonen fra Berlins underjordiske parkeringshus, nesten 0,65 petajoule, teoretisk sett levere varme til omtrent 14 660 husholdninger.

Gjenbruk av varmen fra elektroniske enheter

Denne studien kommer fra fysikerne ved Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) og Central South University i Kina. Studien foreslår muligheten for å bruke varmen som genereres i tekniske enheter til databehandling. Alt som trengs er å kombinere spesifikke materialer. 

Elektroniske enheter blir varme på grunn av den elektriske strømmen som flyter gjennom dem. Denne varmen spres og går tapt i prosessen. Ifølge Dr. Jamal Berakdar, professor i fysikk ved MLU, «I flere tiår har folk søkt etter måter å gjenbruke denne tapte energien i elektronikk på.» 

Den nye metoden for å gjenbruke varme foreslår bruk av ikke-ledende magnetiske strimler i stedet for konvensjonelle elektroniske kretser, i kombinasjon med vanlige metallspacere. «Vår teknologi kan bidra til å spare energi i informasjonsteknologi ved å utnytte overskuddsvarme på en god måte,» forklarer Berakdar. 

Saltbatterier for å lagre varme

Dette forskningsarbeidet er en nylig utvikling ettersom forfatteren av avhandlingen, PhD-student ved Radboud University, Lian Blijlevens, snart skal forsvare sin forskning på nytten av salt for varmelagring. Saltet det er snakk om er ikke den vanlige bordsalten, men typer som strontiumklorid. 

Kjernen i Blijlevens’ studie er saltbatteriet, designet for å lagre salthydrater og vannholdige salter i krystallinsk form. Å lade dette batteriet innebærer å varme opp saltet, noe som frigjør vann fra krystallene. 

«Når du trenger varmen, tilsetter du vanndamp til krystallene, og varmen frigjøres igjen,» konkluderer Blijlevens. 

Med disse forskningsartiklene som viser en blomstrende innovasjonsatmosfære innen dette feltet, finnes det noen løsninger som hjelper med å gjenbruke termisk energi i bedriftsomfang. Vi diskuterer noen av disse leverandørene i de følgende segmentene.

Leverandører av energigjenbruksløsninger: Bedriftsnivå

#1. Calefa

Calefa er en Finland-basert leverandør av nøkkelferdige løsninger for gjenvinning av varme. Deres tilbud inkluderer et modulært AmbiHeat varmepumpeanlegg. De utnytter omgivelsesenergikilder og ettermonteringssystemer for å resirkulere avfallsvarme. Siden vi nevnte varmepumper som en løsning, er det relevant å kort forklare hvorfor de anses som et toppalternativ for klimakontroll i hjemmet. 

Varmepumper er flerfunksjonelle klimakontrollenheter som overfører varme fra ett sted til et annet. De genererer ikke varme, de flytter den bare, og viser seg å være et energieffektivt valg for å varme opp eller kjøle ned et hjem. Om vinteren henter disse pumpene varme fra utsiden og overfører den inn. Om sommeren skjer det motsatte. 

Ifølge publiserte data, har Calefa i løpet av de siste ti årene levert nesten 200 energisystemer som utnytter avfallsvarme eller omgivelsesenergi. De har bidratt til å spare mer enn US$34 millioner i økonomiske termer, nesten 650 000 MWh energi, og over 142 millioner kilogram CO₂ i reduserte utslipp. 

#2. Heata

Heata, en innovativ oppstartsbedrift basert i Storbritannia, kom opp med ideen om å bruke varmen som genereres av datamaskiner til å tilby gratis varmt vann. Oppstarten tok av som et innovasjonsprosjekt med British Gas, for å hjelpe mennesker som lever i mangel på drivstoff eller drivstofffattigdom. 

De undersøkte blokkjedeverdenen og fikk vite om de store mengdene energi Bitcoin-minere brukte, samt de tilsvarende store mengdene avfallsvarme de genererte i prosessen. For å gjenbruke denne varmen, dyppet Heata-teamet Bitminer i mineralolje og koblet den til en radiator for å teste gjennomførbarheten av ideen. 

Da de fant at ideen var gjennomførbar, introduserte de varmtvannstanker der etterspørselen er relativt konstant gjennom året. De gikk også fra Bitcoin-mining til generell databehandling for å støtte avkarboniseringsarbeidet i denne bransjen. 

Grunnlagt i 2017 og med hovedkontor i Godalming, Surrey, Storbritannia, gir Heata selskaper mulighet til å redusere sitt karbonavtrykk og sparer familier opptil £450 per år på energiregningene. Oppstarten avsluttet en million pund i seed-finansiering i oktober i år.

Gjenbruk av varmen fra datasentre

World Economic Forum har tatt merke til teknologiselskaper som utnytter sine datasentre – som huser serverne deres – til å varme opp boliger og kutte CO₂-utslipp. Flere initiativer legger til rette for denne prosessen, og ifølge International Data Corporation kan markedet for oppvarming fra datasentre være verdt US$2.5 billion innen 2025. 

Stockholm Data Parks er et slikt initiativ i Sverige som hjelper med å varme opp hus ved å utnytte avfallsvarmen som genereres av Stockholms datasentre. Med ambisiøse mål planlegger initiativet å dekke 10 % av Stockholms totale oppvarmingsbehov på denne måten innen 2035. På en større skala påpeker tenketanken Energy Innovation at de største datasentrene kan generere mer enn 100 megawatt energi, nok til å forsyne 80 000 hjem. 

Switch Datacenters er et annet selskap basert i Nederland som har redusert sin avhengighet av naturgass, ved å erstatte gassgeneratorenheter med oppvarming fra datasentre. Ifølge selskapets administrerende direktør er det mulig å levere opptil 97 % av servervarmen til hjem og kontorer gjennom dette systemet. 

Fremtiden: Den globale teknologigiganten Microsoft tar steget

Microsoft (MSFT ) har inngått partnerskap med Fortum, et finsk selskap, for å varme opp tusenvis av hjem i Helsinki, og etter hvert som samarbeidet viser seg å være fruktbart, forventer Fortum at løsningen deres vil bidra til å varme opp 40 % av Helsinkis hjem. 

For å styrke sitt engasjement for bærekraft har Microsoft nå besluttet å forsyne to av sine nye datasentre i Helsinki med fornybar energi, en beslutning som forventes å redusere årlige CO₂-utslipp med 400,000 tonnes. 

Imidlertid er dette miljøinitiativet bare én side av Microsofts globale innflytelse. Selskapet, som er verdenskjent, rapporterte US$211 billion i inntekter i regnskapsåret 2023 og en driftsinntekt på mer enn US$88 billion. Microsofts engasjement i gjenbruk av termisk energi fremhever ikke bare deres bærekraftforpliktelser, men gir også betydelig synlighet og tilpasningsevne til disse tiltakene. 

Nå, tilbake til den første loven i termodynamikken igjen. Energi utnyttes best når innsatsen er rettet mot å flytte den fra én form til en annen. Gjenbruk av termisk energi er et effektivt steg i den retningen. Det finnes ingen grunn til at den ikke skal oppleve betydelig vekst i adopsjon i de kommende årene.