Kan kiselgel torkmedelsförpackningar, hittas ofta i skokartonger och elektronik, vara svaret på våra energiutmaningar för byggnader? Ett fyraårigt projekt bevisar ja, ungefär.

Enligt Europeiska kommissionen, uppvärmning och kyla i byggnader och industri står för hälften av EU:s energiförbrukning, och fossila bränslen genererar 84 procent av denna uppvärmning och kylning. Sektorn förväntas spela en avgörande roll i CO ₂ utsläppsminskning för att klara EU:s klimatmål till 2050. Samtidigt mängden värme som går till spillo från industriella processer och byggnader i EU, inklusive datacenter, beräknas täcka hela EU:s uppvärmningsbehov i bostäder och tertiärbyggnader.

Vad är spillvärme?

Några exempel på spillvärme är värmen som kommer ut från ett hem genom skorstenen, värmen som kommer ut från en bil genom avgaserna, och den varma luften eller vattnet som kastas från en köksspis, dusch, diskmaskin, tvättmaskin eller torktumlare. Totalt, dessa spillvärmeflöden är jämförbara med den totala mängden el som förbrukas av bostadshushåll.

I industriella processer, spillvärme produceras huvudsakligen av kraftverk, förbränningsprocesser och tillverkningsutrustning. Övergripande, cirka 70 procent av all producerad energi slutar som spillvärme.

Ofta, denna spillvärme kan inte utnyttjas eftersom dess temperatur är olämplig och den kan vara utmanande att fånga upp. Därför, det finns en efterfrågan på värmekonverteringsteknik för att få tillgång till den enorma potentialen hos denna i princip "fria" värme. Och om det inte var tillräckligt utmanande, denna teknik bör också ha minimal elförbrukning för att lindra bördan på nätet, vilket är förknippat med dagliga och säsongsmässiga variationer i värme- och kylbehov.

Sätt på THRIVE

Fyra år sedan, forskare från IBM Research – Zürich, University of Applied Sciences Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zürich, School of Management and Engineering Vaud (HEIG-VD), Paul Scherrer Institute (PSI), och ett antal ytterligare samarbetspartners gick ihop för att ta itu med detta problem och gick samman i ett projekt som heter THRIVE (Termiskt drivna värmepumpar för ersättning av elektricitet och fossila bränslen). Forskningen fokuserade på adsorptionsvärmepumpsteknik (AdHP), som är beroende av användningen av adsorberande material som silikagel, välkänd från de där små "Do Not Eat"-förpackningarna vi ofta hittar i förpackade varor.

Varför kiselgel? Även om den ofta slängs i papperskorgen, det är faktiskt ett anmärkningsvärt ämne som kan absorbera 40 procent av sin egen vikt i fukt från omgivningen. Genom att göra så, den producerar en slags sugeffekt som kan användas för att pumpa värme ungefär som en konventionell luftkonditionering, men utan att använda el. En tillämpning av denna teknik är i datacenter för att utnyttja spillvärme från varmvattenkylda högpresterande servrar för att producera kall luft för att kyla strömförsörjning och datalagring i samma datacenter, i huvudsak gör det möjligt för datacenter att kyla sig själva med sin egen spillvärme.

Resultaten är inne

Den 8 november, efter 47 månaders forskning, vi rapporterade våra slutliga resultat.

Förutom att kyla datacenter och andra industriella processer identifierade HEIG-VD lovande applikationer för AdHPs för att öka effektiviteten och kapaciteten i fjärrvärmenät samt lägre utsläpp och energikostnader för hushållen. Baserat på uppvärmnings- och kylpotentialen hos AdHPs i fyra sådana tillämpningsscenarier, PSI prognostiserade 4-9 procent lägre total energianvändning 2050 för den stationära energisektorn i Schweiz av AdHPs som använder tillgänglig spillvärme för industrier och hushåll, som enligt Paul Scherrer Institute (PSI) har potential för 3-6 procent lägre total energianvändning år 2050 i Schweiz.

I THRIVE, flera tekniska milstolpar uppnåddes för att främja tekniken för adsorptionsvärmepumpar.

Istället för silikagel, Empa-forskare utvecklade en ny typ av monolitiskt aktivt koladsorbent, liknar träkol, som kan formas och bearbetas till godtyckliga former för att passa in i värmeväxlare för AdHP. Materialet gav en 3,8 gånger högre kyleffekt per massenhet jämfört med silikagel för regenerering genom spillvärme vid 60 grader C.

Ytterligare, forskare från IBM Research och ETH Zurich utvecklade nya metoder för att karakterisera adsorbenter i verkan och använde dem för att avslöja den hastighetsbegränsande flaskhalsen i toppmoderna adsorptionsvärmeväxlare med bara några cm2 material. Ett ramverk för att förutsäga geometrin hos optimalt formade adsorbenter utvecklades, och adsorberande beläggningar strukturerades i enlighet därmed för att ge en trefaldig förbättring i adsorptionshastighet jämfört med ostrukturerade beläggningar. Dessa strukturerade adsorbenter kan stödja en kyleffekt på 5 kW för varje m2 av adsorptionsvärmeväxlarens area.

Tillsammans, material och strukturella förbättringar kan öka effekttätheten hos adsorptionsvärmeväxlare med upp till en faktor 10. Detta leder till avsevärt minskade kostnader för framtida AdHP, gör dem överlag ekonomiskt, tekniskt och miljömässigt överlägsen andra tillvägagångssätt för många tillämpningar

För att bevisa att tillvägagångssättet också fungerar i större skala, HSR-forskare byggde en testrigg utrustad med en våg i vakuum, kapabla att karakterisera adsorptionsvärmeväxlare som producerar en kyleffekt på upp till 1,5 kW. För ännu större system, de byggde också ett fyrkammars adsorptionsvärmepumpsystem som levererar upp till 10 kW kyleffekt – som skulle uppfylla de typiska luftkonditioneringskraven för ett enfamiljshus i varma klimat.

Och slutligen, vi utvecklade ett ramverk för att designa högpresterande adsorptionsvärmeväxlare för industrier med olika krav. Denna kompakta AdHP-teknik vidareutvecklas för kylning av datacenter och ett uppföljningsprojekt pågår redan där AdHP:er utvärderas som värmetransformatorer i termiska nät. Ytterligare lovande tillämpningar av kompakta AdHP är för termisk hantering i bilar och för gasseparering, såsom CO ₂ fånga – nu är det ett mångsidigt tillvägagångssätt för att förbättra energieffektiviteten, minska kostnaderna och bekämpa klimatförändringarna.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av IBM Research. Läs originalberättelsen här.