Kan silicagel droogmiddel pakken, vaak te vinden in schoenendozen en elektronica, het antwoord zijn op onze energie-uitdagingen voor gebouwen? Een vierjarig project bewijst van wel, soort van.

Volgens de Europese Commissie, verwarming en koeling in gebouwen en industrie zijn goed voor de helft van het energieverbruik van de EU, en fossiele brandstoffen genereren 84 procent van deze verwarming en koeling. De sector zal naar verwachting een cruciale rol spelen in CO ₂ emissiereductie om de klimaatdoelstellingen van de EU tegen 2050 te halen. de hoeveelheid warmte die wordt verspild aan industriële processen en gebouwen in de EU, inclusief datacenters, wordt geschat om de volledige verwarmingsbehoeften van de EU in residentiële en tertiaire gebouwen te dekken.

Wat is restwarmte?

Enkele voorbeelden van restwarmte zijn de warmte die via de schoorsteen uit een woning ontsnapt, de warmte die door de uitlaat uit een auto ontsnapt, en de hete lucht of het water dat uit een keukenfornuis wordt weggegooid, douche, vaatwasmachine, wasmachine of kledingdroger. In totaal, deze restwarmtestromen zijn vergelijkbaar met het totale elektriciteitsverbruik van huishoudens.

Bij industriële processen, restwarmte wordt voornamelijk geproduceerd door elektriciteitscentrales, verbrandingsprocessen en productieapparatuur. Algemeen, ongeveer 70 procent van alle geproduceerde energie eindigt als restwarmte.

Vaak, deze afvalwarmte kan niet worden gebruikt omdat de temperatuur niet geschikt is en het moeilijk kan zijn om deze op te vangen. Daarom, er is vraag naar warmteconversietechnologie om toegang te krijgen tot het enorme potentieel van deze in wezen "gratis" warmte. En alsof dat nog niet uitdagend genoeg was, deze technologie moet ook een minimaal elektriciteitsverbruik hebben om de belasting van het net te verlichten, die wordt geassocieerd met dagelijkse en seizoensgebonden variaties in de vraag naar verwarming en koeling.

Kom maar op met THRIVE

Vier jaar geleden, wetenschappers van IBM Research – Zürich, Hogeschool Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zürich, de School voor Management en Engineering Vaud (HEIG-VD), Paul Scherrer Instituut (PSI), en een aantal andere medewerkers werkten samen om dit probleem aan te pakken en kwamen samen in een project genaamd THRIVE (Thermally Driven Heat Pumps for Substitution of Electricity and Fossil Fuels). Het onderzoek richtte zich op adsorptiewarmtepomptechnologie (AdHP), die afhankelijk is van het gebruik van adsorberende materialen zoals silicagel, bekend van die kleine "Do Not Eat"-verpakkingen die we vaak in verpakte goederen aantreffen.

Waarom silicagel? Hoewel het vaak in de prullenbak wordt gegooid, het is eigenlijk een opmerkelijke stof die 40 procent van zijn eigen gewicht aan vocht uit de omgeving kan adsorberen. Daarbij, het produceert een soort zuigeffect dat kan worden gebruikt om warmte te pompen, net als een conventionele airconditioner, maar zonder elektriciteit te gebruiken. Een toepassing van deze technologie is in datacenters om afvalwarmte van met warm water gekoelde high-performance servers te benutten om koele lucht te produceren om voedingen en gegevensopslag in hetzelfde datacenter te koelen, waardoor datacenters in wezen zichzelf kunnen koelen met hun eigen restwarmte.

De resultaten zijn binnen

Op 8 nov., na 47 maanden onderzoek, we hebben onze eindresultaten gerapporteerd.

Naast het koelen van datacenters en andere industriële processen identificeerde HEIG-VD veelbelovende toepassingen voor AdHP's om de efficiëntie en capaciteit in stadsverwarmingsnetten te vergroten en de emissies en energiekosten voor huishoudens te verlagen. Op basis van het verwarmings- en koelpotentieel van AdHP's in vier van dergelijke toepassingsscenario's, PSI voorspelde een 4-9 procent lager totaal energieverbruik in 2050 voor de stationaire energiesector in Zwitserland van AdHP's die gebruik maken van beschikbare restwarmte voor industrieën en huishoudens, die volgens het Paul Scherrer Institute (PSI) het potentieel hebben voor een 3-6 procent lager totaal energieverbruik in 2050 in Zwitserland.

in DRIJVEN, er werden verschillende technische mijlpalen bereikt om de technologie van adsorptiewarmtepompen vooruit te helpen.

In plaats van silicagel, Empa-wetenschappers ontwikkelden een nieuw type monolithisch actief kooladsorptiemiddel, vergelijkbaar met houtskool, die in willekeurige vormen kunnen worden gegoten en bewerkt om in warmtewisselaars voor AdHP's te passen. Het materiaal leverde een 3,8x hoger koelvermogen per massa-eenheid in vergelijking met silicagel voor regeneratie door afvalwarmte van 60 graden C.

Verder, wetenschappers van IBM Research en ETH Zürich ontwikkelden nieuwe methoden om adsorbentia in actie te karakteriseren en gebruikten deze om het snelheidsbeperkende knelpunt in ultramoderne adsorptiewarmtewisselaars met slechts een paar cm2 materiaal aan het licht te brengen. Er werd een raamwerk ontwikkeld om de geometrie van optimaal gevormde adsorbentia te voorspellen, en adsorberende coatings werden dienovereenkomstig gestructureerd om een ​​drievoudige verbetering in adsorptiesnelheid te verschaffen in vergelijking met ongestructureerde coatings. Deze gestructureerde adsorbentia kunnen een koelvermogen van 5 kW per m2 adsorptiewarmtewisselaaroppervlak ondersteunen.

Samen, materialen en structurele verbeteringen kunnen de vermogensdichtheid van adsorptiewarmtewisselaars tot een factor 10 verhogen. Dit vertaalt zich in aanzienlijk lagere kosten van toekomstige AdHP's, waardoor ze over het algemeen economisch, technologisch en ecologisch superieur aan andere benaderingen voor veel toepassingen

Om te bewijzen dat de aanpak ook op grotere schaal werkt, HSR-wetenschappers bouwden een testopstelling uitgerust met een weegschaal in vacuüm, geschikt voor het karakteriseren van adsorptiewarmtewisselaars die een koelvermogen tot 1,5 kW produceren. Voor nog grotere systemen, ze bouwden ook een adsorptiewarmtepompsysteem met vier kamers dat tot 10 kW koelvermogen levert - dat zou voldoen aan de typische airconditioningvereisten van een eengezinswoning in warme klimaten.

En tenslotte, we hebben een raamwerk ontwikkeld om hoogwaardige adsorptiewarmtewisselaars te ontwerpen voor industrieën met verschillende vereisten. Deze compacte AdHP-technologie wordt verder ontwikkeld voor datacenterkoeling en er loopt al een vervolgproject waarin AdHP's worden geëvalueerd als warmtetransformatoren in thermische netten. Andere veelbelovende toepassingen van compacte AdHP's zijn voor thermisch beheer in auto's en voor gasscheiding, zoals CO ₂ capture – dat is een veelzijdige benadering om de energie-efficiëntie te verbeteren, kosten te verlagen en klimaatverandering tegen te gaan.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan IBM Research. Lees hier het originele verhaal.