Återanvändning av termisk energi: Hemklimatkontroll, parkeringshus och datorer

Den globala marknaden för termisk energilagring kan nå US$8 miljard år 2030 från en storlek på US$4,4 miljard år 2022, vilket motsvarar en sammansatt årlig tillväxttakt (CAGR) på cirka 7,7 %. Den ökande efterfrågan på lagring indikerar en stadigt växande användning av termisk energi. 

Men vad exakt är termisk energi, och hur lagrar vi den? Vi kommer att gå djupare in i de kommande avsnitten för att komma till botten med dessa frågor och se hur termisk energi skapar effektiva energianvändningsparadigm för våra moderna världens behov. 

Den korta historien om termisk energi

Historien om att känna igen termisk energi och dess potential går tillbaka till 1847. Äran tillfaller den globalt vördade engelska fysikern och matematikern James Prescott Joule. 

För att uttrycka det enkelt upptäckte Joule sambandet mellan värme och mekanisk energi och nådde så småningom lagen om energins bevarande, även känd som den första lagen i termodynamiken. Lagen säger att energi kan omvandlas från en form till en annan men inte kan skapas eller förstöras. 

Hur vetenskapsmannen Joule nådde denna banbrytande slutsats var ett spännande experiment som kan hjälpa oss att förstå naturen av det vi idag känner som termisk energi. 

I sitt experiment mätte Joule den mängd arbete en elektrisk motor skulle behöva utföra för att höja temperaturen på en viss volym vatten med en grad. Han mätte också temperaturökningen i vatten när det passerade genom en perforerad cylinder och den värme som genererades vid komprimering av en gas. 

Under sin forskning upptäckte han att den mängd mekanisk energi som applicerades på vätskan alltid var lika med den genererade värmeenergin, vilket indikerar att energi kan återanvändas från en form till en annan. 

I bredare termer sade experimentet mycket om vårt universum och dess energisystem. Det visade, framför allt, att hela energin i universum förblir konstant, med en energiform som omvandlas till en annan. 

Joules upptäckt gav upphov till ett fullt utvecklat forskningsområde känt som termodynamik. Vi har redan sett paradigmmets första lag. Den har tre ytterligare lagar. Dessa fyra grundläggande lagar definierar konturerna för termodynamik som behandlar värme, arbete och temperatur samt hur deras interaktioner påverkar begreppen energi, strålning och fysiska egenskaper hos materia. 

Det är avgörande att förstå termodynamik för att fullt ut begripa potentialen hos termisk energi och hur den kan hjälpa våra processer. I grunden förklarar termodynamik hur termisk energi omvandlas till andra former och vice versa. Termisk energi kommer från värme som produceras av partiklars rörelser inom ett föremål. Ju snabbare rörelsen är, desto mer värme genereras. 

Klicka här för listan över de tio bästa förnybara energiernas aktier.

Vetenskapen bakom termisk energigenerering: Konduktion, Konvektion, Strålning

Rörliga partiklar eller molekyler ger upphov till värme. Men det finns minst tre sätt på vilka dessa rörelser kan generera värme. 

I konduktionsprocessen genereras värme från rörelsen hos de ingående partiklarna utan att kroppen rör sig. Ett verkligt exempel på värmegenerering genom konduktion är ökningen i temperatur på en rostfri stålslev när den placeras i en kokgryta en stund medan grytan fortfarande värms upp från botten. 

Konvektionsprocessen är där energitransfer sker mellan en fast yta och en rörlig vätska eller gas. Att värma vatten genom att lägga det i en panna och applicera värme direkt på pannan är ett exempel på konvektionsprocessen för energitransfer. 

Slutligen, i strålningsprocessen, för att värme eller termisk energi ska utbytas, behöver två kroppar eller ämnen inte vara i kontakt med varandra. Ett typiskt exempel på denna process är att smälta is genom att hålla en glödlampa nära den. Även om lampan och isen aldrig rör vid varandra, smälter isen. 

Medan dessa metoder bakom termisk energigenerering inte är synliga för det mänskliga ögat och bara kan uppfattas genom deras yttre eller fysiska manifestationer, är exemplen på termisk energi ofta lätta att känna igen när vi interagerar med dem. 

Till exempel solstrålning värmer vår atmosfär, och vi känner oss varma som ett resultat. På liknande sätt finns också geotermisk energi, som är intensiv värme som flödar kontinuerligt utifrån djupt inom jordens inre. Nedbrytningen av radioaktiva element i berget är den primära generatorn av denna typ av värme. Dessutom har havsvattnets yta en enorm potential för termisk energilagring eftersom den är direkt utsatt för solens strålar under en längre period. Bränsleceller hjälper också till att utnyttja den energi som produceras från termisk energi. 

Återanvändning av termisk energi: Insatser runt om i världen

Enligt principen omvandlas energi från en form till en annan. Återanvändning av energi är därför i linje med våra naturliga vetenskapsprinciper. Det är ett effektivt sätt att utnyttja energins sanna potential genom att gå bortom dess omedelbara tillämpning. Vi kommer att titta på några exempel på återanvändning av termisk energi. 

Termisk energi som genereras i underjordiska parkeringshus för att värma grundvatten

Ett team av forskare från Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), Karlsruhe Institute of Technology och University of Basel genomförde en djupgående studie av 31 underjordiska parkeringshus i städer i Tyskland, Österrike och Schweiz.

I sex av dessa platser mätte de också temperaturen på närliggande grundvatten. Utifrån de värmeprofiler de sammanställde kom de fram till slutsatsen att underjordiska parkeringshus konsekvent värmer grundvattnet året runt. Det är viktigt att notera att denna värme främst kommer från motorerna i parkerade bilar.

Maximilian Noethen, en geovetare vid MLU, förklarade: “Offentliga underjordiska parkeringshus bidrar mer till uppvärmning av grundvatten än privata, eftersom de ofta är djupare och bilarna parkeras där under kortare perioder.”

Forskarna påpekade också potentialen för att återanvända denna termiska energi. Till exempel skulle den årliga energiproduktionen från Berlins underjordiska parkeringshus, nästan 0,65 petajoule, teoretiskt kunna förse värme till cirka 14 660 hushåll.

Återanvändning av värmen från elektroniska enheter

Denna studie kom från fysikerna vid Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) och Central South University i Kina. Studien föreslår möjligheten att använda värme som genereras i tekniska enheter för databehandling. Allt som krävs är att kombinera specifika material. 

Elektroniska enheter blir varma på grund av den elektriska strömmen som flyter genom dem. Denna värme sprids och går förlorad i processen. Enligt Dr Jamal Berakdar, professor i fysik vid MLU, “I årtionden har man letat efter sätt att återanvända denna förlorade energi i elektronik.” 

Den nya metoden för att återanvända värme föreslår användning av icke-ledande magnetiska remsor istället för konventionella elektroniska kretsar i kombination med vanliga metallspacers. “Vår teknik kan bidra till att spara energi inom informationsteknik genom att utnyttja överskottsvärme på ett bra sätt,” förklarar Berakdar. 

Saltbatterier för att lagra värme

Detta forskningsarbete är en ny utveckling då författaren till avhandlingen, doktorand Lian Blijlevens vid Radboud University, snart ska försvara sin forskning om saltets användbarhet för värmelagring. Det salt som avses är inte den vanliga bordsvarianten utan typer som strontiumklorid. 

Kärnan i Blijlevens studie är saltbatteriet, designat för att lagra salthydrater och vatteninnehållande salter i kristallin form. Återladdning av detta batteri innebär att värma upp saltet, vilket driver ut vatten ur kristallerna. 

“När du behöver värmen, tillsätter du vattenånga till kristallerna, och värmen frigörs igen,” avslutar Blijlevens. 

Med dessa forskningsartiklar som visar en blomstrande innovationsatmosfär inom detta område, finns vissa lösningar som hjälper till att återanvända termisk energi i företagsstorlek. Vi diskuterar några sådana lösningsleverantörer i följande avsnitt. 

Leverantörer av energirepeteringslösningar: Företagsnivå

#1. Calefa

Calefa är en Finland-baserad leverantör av skräddarsydda lösningar för återvinning av värme. Deras erbjudande inkluderar en modulär AmbiHeat värmepumpsanläggning. Den utnyttjar omgivande energikällor och eftermonteringssystem för att återvinna spillvärme. Eftersom vi nämnde värmepumpar som en lösning, är det lämpligt att kort förklara varför de anses vara en bästa alternativet för hemmaklimatkontroll. 

Värmepumpar är mångsidiga klimatkontrollenheter som överför värme från en plats till en annan. De genererar inte värme, utan bara flyttar den, vilket visar sig vara ett energieffektivt val för att värma eller kyla ett hem. På vintern extraherar dessa pumpar värme från utsidan och överför den inomhus. På sommaren sker motsatsen. 

Enligt data publicerad av organisationen Calefa har de under de senaste tio åren levererat nästan 200 energisystem som utnyttjar spillvärme eller omgivande energi. De har hjälpt till att spara mer än US$34 miljoner i monetära termer, nästan 650 000 MWh energi och över 142 miljoner kilogram koldioxid i minskade utsläpp. 

#2. Heata

Heata, en innovativ startup baserad i Storbritannien, kom på idén att använda värme som genereras av datorer för att erbjuda gratis varmvatten. Startupen startade som ett innovationsprojekt med British Gas, för att hjälpa människor som lever i brist på bränsle eller energifattigdom. 

De undersökte blockchain‑området och fick reda på de stora mängder energi som Bitcoin‑gruvarbetare använde samt de liknande stora volymerna av spillvärme de genererade i processen. För att återanvända denna värme sänkte Heata‑teamet Bitminer i mineralolja och kopplade den till en radiator för att testa genomförbarheten av sin idé. 

När de fann idén genomförbar, införlivade de varmvattentankar där efterfrågan är relativt konstant under hela året. De övergick också från Bitcoin‑gruvdrift till generell databehandling för att stödja avkarboniseringsinsatserna i denna industri. 

Grundat 2017 och med huvudkontor i Godalming, Surrey, Storbritannien, ger Heata företag möjlighet att minska sina koldioxidavtryck och sparar familjer upp till £450 per år på sina energiräkningar. Startupen avslutade en seed‑finansiering på 1 miljon pund i oktober i år. 

Återanvändning av datacentervärme

World Economic Forum har noterat teknikföretag som utnyttjar sina datacenter – där deras servrar finns – för att värma hem och minska koldioxidutsläppen. Flera initiativ underlättar denna process, och enligt International Data Corporation kan marknaden för datacenteruppvärmning vara värd US$2,5 miljarder år 2025. 

Stockholm Data Parks är ett sådant initiativ i Sverige som hjälper till att värma hus genom att utnyttja spillvärmen från Stockholms datacenter. Med ambitiösa mål planerar initiativet att på detta sätt täcka 10 % av hela Stockholms värmebehov år 2035. På en större skala återger tankesmedjan Energy Innovation att de största datacentren kan generera mer än 100 megawatt energi, tillräckligt för att driva 80 000 hushåll. 

Switch Datacenters är ett annat företag baserat i Nederländerna som har minskat sitt beroende av naturgas genom att ersätta gasgeneratorer med datacenteruppvärmning. Enligt företagets VD är det möjligt att leverera upp till 97 % av serverns värme till hem och kontor genom detta system. 

Framtiden: Det globala teknikjätten Microsoft tar steget

Microsoft (MSFT ) har samarbetat med Fortum, ett finskt företag, för att värma tusentals hem i Helsingfors, och när samarbetet visar sig vara framgångsrikt förväntar sig Fortum att deras lösning ska hjälpa till att värma upp 40 % av Helsingfors hem. 

För att stärka sitt engagemang för hållbarhet har Microsoft nu beslutat att driva två av sina nya datacenter i Helsingfors med förnybar energi, ett beslut som beräknas minska de årliga koldioxidutsläppen med 400 000 ton. 

Denna miljöinitiativ är dock bara en aspekt av Microsofts globala inflytande. Företaget, känt världen över, rapporterade US$211 miljarder i intäkter under räkenskapsåret 2023 och en rörelseresultat på mer än US$88 miljarder. Microsofts engagemang i återanvändning av termisk energi framhäver inte bara deras hållbarhetsåtaganden utan ger också betydande synlighet och anpassningsförmåga till dessa insatser. 

Nu, åter till den första lagen i termodynamiken igen. Energi utnyttjas bäst när ansträngningarna syftar till att flytta den från en form till en annan. Återanvändning av termisk energi är ett effektivt steg mot detta. Det finns ingen anledning till att den inte ska se en betydande tillväxt i antagande under de kommande åren.