Håndtering af klimaændringer ved en vigtig kilde - bygninger

Kan silicagel tørremiddelpakker, findes ofte i skoæsker og elektronik, være svaret på vores energiudfordringer for bygninger? Et fireårigt projekt beviser ja, På en måde.

Ifølge Europa-Kommissionen, opvarmning og afkøling i bygninger og industri står for halvdelen af ​​EU's energiforbrug, og fossile brændstoffer genererer 84 procent af denne opvarmning og afkøling. Sektoren forventes at spille en afgørende rolle i CO ₂ emissionsreduktion for at opfylde EU's klimamål i 2050. Samtidig mængden af ​​varme spildt fra industrielle processer og bygninger i EU, herunder datacentre, skønnes at dække hele EU's varmebehov i boliger og tertiære bygninger.

Hvad er spildvarme?

Nogle få eksempler på spildvarme omfatter den varme, der slipper ud fra et hjem gennem skorstenen, varmen, der slipper ud af en bil gennem udstødningen, og den varme luft eller vand, der kasseres fra et komfur, bruser, opvaskemaskine, vaskemaskine eller tørretumbler. I alt, disse spildvarmestrømme er sammenlignelige med den samlede mængde elektricitet, der forbruges af bolighusholdninger.

I industrielle processer, spildvarme produceres hovedsageligt af kraftværker, forbrændingsprocesser og produktionsudstyr. Samlet set, omkring 70 procent af al produceret energi ender som spildvarme.

Tit, denne spildvarme kan ikke udnyttes, fordi dens temperatur er uegnet, og den kan være udfordrende at opfange. Derfor, der er et behov for varmekonverteringsteknologi for at få adgang til det enorme potentiale i denne i det væsentlige "gratis" varme. Og hvis det ikke var udfordrende nok, denne teknologi bør også have et minimalt elforbrug for at lette byrden på nettet, som er forbundet med daglige og sæsonbestemte variationer i varme- og kølebehov.

Bring på TRIVE

Fire år siden, forskere fra IBM Research – Zürich, University of Applied Sciences Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zürich, School of Management and Engineering Vaud (HEIG-VD), Paul Scherrer Instituttet (PSI), og en række yderligere samarbejdspartnere gik sammen for at løse dette problem og gik sammen i et projekt kaldet THRIVE (Thermally Driven Heat Pumps for Substitution of Electricity and Fossil Fuels). Forskningen fokuserede på adsorptionsvarmepumpe (AdHP) teknologi, som er afhængig af brugen af ​​adsorberende materialer som silicagel, velkendt fra de små "Spis ikke"-pakker, vi ofte finder i emballerede varer.

Hvorfor silicagel? Selvom det ofte bliver smidt i skraldespanden, det er faktisk et bemærkelsesværdigt stof, som kan adsorbere 40 procent af sin egen vægt i fugt fra omgivelserne. Derved, det frembringer en slags sugeeffekt, der kan bruges til at pumpe varme på samme måde som et konventionelt klimaanlæg, men uden at bruge strøm. En anvendelse af denne teknologi er i datacentre til at udnytte spildvarme fra varmtvandskølede højtydende servere til at producere kølig luft til afkøling af strømforsyninger og datalagring i det samme datacenter, i det væsentlige gør det muligt for datacentre at køle sig selv med deres egen spildvarme.

Resultaterne er inde

Den 8. november, efter 47 måneders forskning, vi rapporterede vores endelige resultater.

Udover afkøling af datacentre og andre industrielle processer identificerede HEIG-VD lovende applikationer for AdHP'er til at øge effektiviteten og kapaciteten i fjernvarmenet samt lavere emissioner og energiomkostninger for husholdninger. Baseret på opvarmnings- og afkølingspotentialerne for AdHP'er i fire sådanne anvendelsesscenarier, PSI forventede 4-9 procent lavere samlet energiforbrug i 2050 for den stationære energisektor i Schweiz af AdHP'ere, der gør brug af tilgængelig spildvarme til industrier og husholdninger, som ifølge Paul Scherrer Institute (PSI) har potentiale for 3-6 procent lavere samlet energiforbrug i 2050 i Schweiz.

I THRIVE, flere tekniske milepæle blev opnået for at fremme adsorptionsvarmepumpeteknologien.

I stedet for silicagel, Empa-forskere udviklede en ny type monolitisk aktivt kul adsorbent, ligner trækul, der kan støbes og bearbejdes til vilkårlige former for at passe ind i varmevekslere til AdHP'er. Materialet gav en 3,8x højere køleeffekt pr. masseenhed sammenlignet med silicagel til regenerering ved spildvarme ved 60 grader C.

Yderligere, forskere fra IBM Research og ETH Zurich udviklede nye metoder til at karakterisere adsorbenter i aktion og brugte dem til at afsløre den hastighedsbegrænsende flaskehals i avancerede adsorptionsvarmevekslere med kun få cm2 materiale. En ramme til at forudsige geometrien af ​​optimalt formede adsorbenter blev udviklet, og adsorberende belægninger blev struktureret i overensstemmelse hermed for at give en tredobbelt forbedring i adsorptionshastighed sammenlignet med ustrukturerede belægninger. Disse strukturerede adsorbenter er i stand til at understøtte en køleeffekt på 5 kW for hver m2 adsorptionsvarmevekslerareal.

Sammen, materialer og strukturelle forbedringer kan øge effekttætheden af ​​adsorptionsvarmevekslere med op til en faktor 10. Dette betyder væsentligt reducerede omkostninger til fremtidige AdHP'er, gør dem generelt økonomisk, teknologisk og miljømæssigt overlegen i forhold til andre tilgange til mange applikationer

For at bevise, at tilgangen også fungerer i større skala, HSR-forskere byggede en testrig udstyret med en vægt i vakuum, i stand til at karakterisere adsorptionsvarmevekslere, der producerer en køleeffekt på op til 1,5 kW. For endnu større systemer, de byggede også et fire-kammer adsorptionsvarmepumpesystem, der leverer op til 10 kW køleeffekt – som ville opfylde de typiske krav til klimaanlæg i et enfamiliehus i varme klimaer.

Og endelig, vi udviklede en ramme til at designe højtydende adsorptionsvarmevekslere til industrier med forskellige krav. Denne kompakte AdHP-teknologi videreudvikles til datacenterkøling, og et opfølgningsprojekt er allerede i gang, hvor AdHP'er evalueres som varmetransformatorer i termiske net. Yderligere lovende anvendelser af kompakte AdHP'er er til termisk styring i biler og til gasseparation, såsom CO ₂ capture – nu er det en flerstrenget tilgang til at forbedre energieffektiviteten, reducere omkostningerne og bekæmpe klimaændringer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra IBM Research. Læs den originale historie her.