Termal Enerjinin Yeniden Kullanımı: Ev İklim Kontrolü, Otoparklar ve Bilişim

Küresel termal enerji depolama pazarı 2022’de 4,4 milyar ABD doları büyüklüğünden 2030’da US$8 milyar olarak ulaşabilir; bu, yaklaşık %7,7’lik bir Bileşik Yıllık Büyüme Oranı (CAGR) demektir. Depolamaya artan talep, termal enerjinin sürekli artan kullanımını göstermektedir. 

Peki termal enerji tam olarak nedir ve nasıl depolanır? Bu soruların cevabını bulmak ve termal enerjinin modern dünyamızın ihtiyaçları için nasıl verimli enerji kullanım paradigmaları yarattığını görmek üzere sonraki bölümlerde daha derine ineceğiz. 

Termal Enerjinin Kısa Tarihi

Termal enerjinin tanınması ve potansiyelinin tarihçesi 1847 yılına kadar uzanır. Bu keşif, dünya çapında saygı gören İngiliz fizikçi ve matematikçi James Prescott Joule’a aittir. 

Basitçe söylemek gerekirse, Joule ısı ile mekanik enerji arasındaki ilişkiyi ortaya koyarak sonunda enerji korunum yasasına, yani termodinamiğin birinci yasasına ulaşmıştır. Bu yasa, enerjinin bir formdan diğerine dönüştürülebileceğini, ancak yaratılıp yok edilemeyeceğini belirtir. 

Bilim insanı Joule’ın bu çığır açan sonuca nasıl ulaştığı, bugün termal enerji olarak bildiğimiz doğayı anlamamıza yardımcı olabilecek heyecan verici bir deneydi. 

Deneyinde, Joule bir elektrik motorunun belirli bir su hacmini bir derece yükseltmek için ne kadar iş yapması gerektiğini ölçtü. Ayrıca, suyun delikli bir silindirden geçerken sıcaklık artışını ve bir gazın sıkıştırılması sırasında üretilen ısıyı ölçtü. 

Araştırması sırasında, fluide uygulanan mekanik enerjinin her zaman üretilen ısı enerjisine eşit olduğunu buldu; bu da enerjinin bir formdan diğerine yeniden kullanılabileceğini gösteriyor. 

Daha geniş bir perspektiften bakıldığında, deney evrenimiz ve enerji sistemimiz hakkında çok şey söylemektedir. En önemlisi, evrendeki tüm enerjinin sabit kaldığını, bir enerji formunun başka bir forma dönüştüğünü göstermektedir. 

Joule’ın keşfi, termodinamik olarak bilinen tam bir çalışma akımının doğmasına yol açtı. İlk yasasını zaten gördük. Üç yasa daha vardır. Bu dört temel yasa, ısı, iş ve sıcaklıkla ilgilenen ve bunların enerji, radyasyon ve maddenin fiziksel özellikleri üzerindeki etkileşimlerini belirleyen termodinamiğin sınırlarını çizer. 

Termodinamiği tam olarak kavramak, termal enerjinin potansiyelini ve süreçlerimize nasıl yardımcı olabileceğini anlamak için kritiktir. Temelde, termodinamik termal enerjinin diğer formlara nasıl dönüştüğünü ve tersini açıklar. Termal enerji, bir nesnenin içinde parçacık hareketleriyle üretilen ısıdan gelir. Hareket ne kadar hızlı olursa, üretilen ısı o kadar fazla olur. 

En iyi on yenilenebilir enerji hissesinin listesi için buraya tıklayın.

Termal Enerji Üretiminin Bilimi: İletim, Konveksiyon, Radyasyon

Hareket eden parçacıklar veya moleküller ısı üretir. Ancak bu hareketlerin ısı üretmesinin en az üç yolu vardır. 

İletim sürecinde, ısı, gövde hareket etmeden bile bileşen parçacıkların hareketiyle üretilir. İletimle ısı üretiminin gerçek bir örneği, bir çelik kaşığın bir tencereye konulup bir süre ısıtılması sırasında kaşığın sıcaklığının artmasıdır; tencere altından ısı alırken kaşık hareket etmez. 

Konveksiyon süreci, katı bir yüzey ile hareketli bir sıvı veya gaz arasında enerji transferinin gerçekleştiği durumdur. Suyu bir tencereye koyup doğrudan tencereye ısı uygulamak, konveksiyon yoluyla enerji transferinin bir örneğidir. 

Son olarak, radyasyon sürecinde, ısı veya termal enerjinin değiş tokuşu için iki cisim ya da madde temas halinde olmak zorunda değildir. Bu sürecin tipik bir örneği, bir akkor lambayı buzun yanına tutarak buzun erimesidir. Lamba ve buz asla temas etmez, ancak buz erir. 

Bu termal enerji üretim yöntemleri insan gözüyle görülmese de ve sadece dışsal ya da fiziksel etkileriyle fark edilebilir, termal enerjinin örnekleri genellikle bizimle etkileşimde bulunduğumuz için tanınması kolaydır. 

Örneğin, güneş radyasyonu atmosferimizi ısıtır ve bu yüzden sıcak hissederiz. Benzer şekilde, yeraltı ısısı da vardır; bu, yerkürenin derinliklerinden sürekli olarak dışarı doğru akan yoğun ısıdır. Kayalardaki radyoaktif elementlerin çürümesi bu ısının başlıca kaynağıdır. Ayrıca, deniz suyu yüzeyi, uzun süre güneş ışınlarına doğrudan maruz kaldığı için büyük bir termal enerji depolama potansiyeline sahiptir. Yakıt hücreleri de termal enerjiden üretilen enerjiyi yakalamaya yardımcı olur. 

Termal Enerjinin Yeniden Kullanımı: Dünya Çapında Çabalar

Prensip olarak, enerji bir formdan diğerine dönüşür. Bu nedenle, enerjiyi yeniden kullanmak doğal bilim prensiplerimizle uyumludur. Enerjinin gerçek potansiyelini, hemen hemen anlık uygulamasının ötesine geçerek kullanmanın verimli bir yoludur. Yeniden kullanılan termal enerjinin bazı örneklerine bakacağız. 

Yeraltı Otoparklarında Üretilen Termal Enerjinin Yeraltı Suyunu Isıtması

Martin Luther Üniversitesi Halle-Wittenberg (MLU), Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü ve Basel Üniversitesi’nden bir araştırmacı ekibi kapsamlı bir çalışma yürüttü Almanya, Avusturya ve İsviçre şehirlerinde 31 yeraltı otoparkı üzerine.

Bu lokasyonların altısında, yakın yeraltı suyunun sıcaklığı da ölçüldü. Hazırladıkları ısı profillerinden, yeraltı otoparklarının yıl boyunca yeraltı suyunu sürekli ısıttığı sonucuna vardılar. Bu ısının büyük ölçüde park edilmiş araçların motorlarından kaynaklandığını belirtmek önemlidir. 

MLU jeoloji bilimcisi Maximilian Noethen, “Kamuya ait yeraltı otoparkları, genellikle daha derin olmaları ve araçların daha kısa süre park edilmesi nedeniyle, özel otoparklardan daha fazla yeraltı suyu ısınmasına katkıda bulunur” şeklinde açıkladı. 

Araştırmacılar ayrıca bu termal enerjinin yeniden kullanılma potansiyeline de değindiler. Örneğin, Berlin’in yeraltı otoparklarından yıllık yaklaşık 0,65 petajoule enerji çıktısı, teorik olarak yaklaşık 14.660 haneye ısı sağlayabilir. 

Elektronik Cihazların Isısının Yeniden Kullanımı

Bu çalışma Martin Luther Üniversitesi Halle-Wittenberg (MLU) ve Çin’deki Central South University’de çalışan fizikçiler tarafından yürütülmüştür. Çalışma, teknik cihazlarda üretilen ısının bilişim için kullanılabilirliğini önermektedir. Tek gereken, belirli malzemelerin birleştirilmesidir. 

Elektronik cihazlar, içlerinden geçen elektrik akımı nedeniyle ısınır. Bu ısı dağılır ve süreçte kaybolur. MLU’dan Fizik profesörü Dr. Jamal Berakdar’a göre, “On yıllardır insanlar bu kayıp enerjiyi elektroniklerde yeniden kullanmanın yollarını arıyorlar.” 

Isıyı yeniden kullanmak için yeni yöntem, geleneksel elektronik devreler yerine iletken olmayan manyetik şeritlerin ve normal metal ara katmanların kullanılmasını öneriyor. “Teknolojimiz, fazla ısıyı iyi değerlendirerek bilgi teknolojisinde enerji tasarrufuna katkı sağlayabilir,” diye açıklıyor Berakdar. 

Isıyı Depolamak İçin Tuz Piller

Bu araştırma, tez yazarı Radboud Üniversitesi doktora öğrencisi Lian Blijlevens’in, ısı depolamada tuzun faydaları üzerine yaptığı çalışmayı savunmak üzere olduğu bir son gelişmedir. Söz konusu tuz, yaygın sofra tuzu değil, stronsiyum klorür gibi türlerdir. 

Blijlevens’in çalışmasının çekirdeği, tuz hidratları ve su içeren tuzları kristal formda depolamak için tasarlanmış bir tuz pilidir. Bu pilin şarj edilmesi, tuzun ısıtılması ve kristallerden suyun çıkarılmasıyla gerçekleşir. 

“Isı ihtiyacınız olduğunda, kristallere su buharı ekleyerek ısı tekrar serbest bırakılır,” diye sonuçlandırıyor Blijlevens. 

Bu araştırma makaleleri, bu alanda gelişen bir yenilik atmosferi sergilediğinden, bazı çözümler termal enerjiyi kurumsal ölçekte yeniden kullanmaya yardımcı olmaktadır. Aşağıdaki bölümlerde bu tür çözüm sağlayıcılarından bazılarını tartışacağız. 

Enerji Yeniden Kullanım Çözüm Sağlayıcıları: Kurumsal Ölçek

#1. Calefa

Calefa, Finland merkezli bir turnkey (tam hizmet) ısı geri dönüşüm çözümleri sağlayıcısıdır. Teklifleri, modüler AmbiHeat ısı pompası tesisini içerir. Çevresel enerji kaynaklarını ve retrofit sistemlerini kullanarak atık ısıyı geri dönüştürür. Isı pompalarını bir çözüm olarak bahsettik, bu yüzden neden ev iklim kontrolü için bir üstün seçenek olduklarını kısaca açıklamak yerinde olacaktır. 

Isı pompaları, bir konumdan diğerine ısı transferi yapan çok yönlü iklim kontrol cihazlarıdır. Isı üretmez, sadece taşır; bu da bir evi ısıtmak ya da soğutmak için enerji verimli bir seçenek haline getirir. Kışın, bu pompalar dışarıdan ısı çeker ve içeriye transfer eder. Yazın ise tersine çalışır. 

Kuruluş tarafından yayınlanan verilere göre, Calefa son on yılda atık ısı veya çevresel enerjiyi kullanan yaklaşık 200 enerji sistemi teslim etmiştir. Bu sistemler, 34 milyon ABD dolarından fazla tasarruf sağladı, yaklaşık 650.000 MWh enerji ve 142 milyon kilogram karbon dioksit emisyonunun azaltılmasına katkıda bulundu. 

#2. Heata

Heata, Birleşik Krallık merkezli yenilikçi bir startup, bilgisayarlar tarafından üretilen ısıyı ücretsiz sıcak su sunmak için kullanma fikriyle ortaya çıktı. Startup, British Gas ile bir yenilik projesi olarak başladı ve yakıt yoksunluğu ya da yakıt yoksulluğu yaşayan insanlara yardımcı olmayı amaçladı. 

Blokzincir alanını incelediler ve Bitcoin madencilerinin büyük miktarda enerji kullandığını ve bu süreçte büyük miktarda atık ısı ürettiklerini fark ettiler. Bu ısıyı yeniden kullanmak için Heata ekibi Bitminer’i mineral yağ içinde batırdı ve bir radyatöre bağlayarak fikirlerinin uygulanabilirliğini test etti. 

Fikir uygulanabilir olduğunu gördüklerinde, talebin yıl boyunca oldukça sabit olduğu sıcak su silindirlerini devreye aldılar. Ayrıca, Bitcoin madenciliğinden genel bilişime geçerek bu sektördeki karbon azaltma çabalarına destek oldular. 

2017 yılında kurulan ve Birleşik Krallık, Surrey, Godalming’de merkez ofisi bulunan Heata, şirketlerin karbon ayak izlerini azaltmalarını sağlıyor ve ailelerin enerji faturalarında yılda £450’a kadar tasarruf etmelerine yardımcı oluyor. Startup, bu yıl Ekim ayında 1 milyon pound tohum sermayesi topladı. 

Veri Merkezi Isısının Yeniden Kullanımı

Dünya Ekonomik Forumu, veri merkezlerini – sunucularını barındıran – evleri ısıtmak ve karbon dioksit emisyonlarını azaltmak için kullanan teknoloji şirketlerini fark etti. Birçok girişim bu süreci kolaylaştırıyor ve International Data Corporation’a göre, veri merkezi ısıtma pazarı 2025 yılına kadar US$2.5 milyar değerinde olabilir. 

Stockholm Data Parks, İsveç’te veri merkezleri tarafından üretilen atık ısıyı kullanarak evleri ısıtan bir girişimdir. Hedefi, 2035 yılına kadar Stockholm’un toplam ısı ihtiyacının %10’unu bu şekilde karşılamaktır. Daha büyük ölçekteki potansiyeli yansıtan bir örnek olarak, Energy Innovation düşünce kuruluşu, en büyük veri merkezlerinin 100 megavatın üzerinde enerji üretebileceğini ve bu enerjinin 80.000 evi besleyebileceğini belirtiyor. 

Switch Datacenters, Hollanda merkezli bir başka şirket olup doğal gaz bağımlılığını azaltarak gaz jeneratör birimlerini veri merkezi ısısıyla değiştirmiştir. Şirketin CEO’suna göre, bu sistemle sunucu ısısının %97’si evlere ve ofislere aktarılabilir. 

Gelecek: Küresel Teknoloji Devi Microsoft’un Atılımı

Microsoft (MSFT ), Helsinki’de binlerce evi ısıtmak için Finlandiyalı şirket Fortum ile ortaklık kurdu ve iş birliği verimli olduğu sürece, Fortum çözümünün Helsinki evlerinin %40’ını ısıtmasına yardımcı olmasını bekliyor. 

Sürdürülebilirlik taahhütlerini ilerleten Microsoft, Helsinki’deki iki yeni veri merkezini yenilenebilir enerjiyle çalıştırmaya karar verdi; bu kararın yıllık karbon dioksit emisyonlarını 400.000 ton azaltması öngörülüyor. 

Ancak bu çevresel girişim, Microsoft’un küresel etkisinin sadece bir yönüdür. Dünya çapında tanınan şirket, 2023 mali yılında US$211 milyar gelir elde etti ve 88 milyar ABD dolarından fazla işletme geliri bildirdi. Microsoft’un termal enerji yeniden kullanım çabalarına katılımı, sadece sürdürülebilirlik taahhütlerini vurgulamakla kalmıyor, aynı zamanda bu girişimlere önemli görünürlük ve uyarlanabilirlik kazandırıyor. 

Şimdi, bir kez daha birinci termodinamik yasasına dönecek olursak. Enerji, bir formdan diğerine kaydırıldığında en iyi şekilde değerlendirilir. Termal enerjinin yeniden kullanımı bu yönde verimli bir adımdır. Önümüzdeki yıllarda benimsenmesinde önemli bir büyüme görülmemesi için bir neden yoktur.