Pacotes dessecantes de sílica gel, frequentemente encontrados em caixas de sapatos e eletrônicos, ser a resposta aos nossos desafios de energia para edifícios? Um projeto de quatro anos prova que sim, tipo de.

De acordo com a Comissão Europeia, aquecimento e refrigeração em edifícios e na indústria são responsáveis ​​por metade do consumo de energia da UE, e os combustíveis fósseis geram 84% desse aquecimento e resfriamento. O setor deve desempenhar um papel crucial no CO ₂ redução de emissões para cumprir as metas climáticas da UE até 2050. Ao mesmo tempo, a quantidade de calor desperdiçada em processos industriais e edifícios na UE, incluindo data centers, Estima-se que cubra todas as necessidades de aquecimento da UE em edifícios residenciais e terciários.

O que é calor residual?

Alguns exemplos de calor residual incluem o calor que escapa de uma casa pela chaminé, o calor que escapa de um carro pelo escapamento, e o ar quente ou água descartada de um fogão de cozinha, banho, lava-louças, máquina de lavar ou secadora de roupas. No total, esses fluxos de calor residual são comparáveis ​​à quantidade total de eletricidade consumida por residências.

Em processos industriais, o calor residual é produzido principalmente por usinas de energia, processos de combustão e equipamentos de fabricação. Geral, cerca de 70 por cento de toda a energia produzida termina como calor residual.

Muitas vezes, esse calor residual não pode ser utilizado porque sua temperatura é inadequada e pode ser difícil de capturar. Portanto, existe uma demanda por tecnologia de conversão de calor para acessar o enorme potencial desse calor essencialmente "livre". E se isso não fosse desafiador o suficiente, esta tecnologia também deve ter um consumo mínimo de eletricidade, a fim de aliviar a carga na rede, que está associado a variações diárias e sazonais na demanda de aquecimento e resfriamento.

Traga THRIVE

Quatro anos atrás, cientistas da IBM Research - Zurique, Universidade de Ciências Aplicadas Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zurique, a Escola de Administração e Engenharia Vaud (HEIG-VD), Instituto Paul Scherrer (PSI), e vários colaboradores adicionais se uniram para resolver esse problema e se uniram em um projeto chamado THRIVE (Bombas de calor com acionamento térmico para substituição de eletricidade e combustíveis fósseis). A pesquisa se concentrou na tecnologia de bomba de calor de adsorção (AdHP), que depende do uso de materiais adsorventes como sílica gel, bem conhecido por aqueles pequenos pacotes "Não Coma" que costumamos encontrar em produtos embalados.

Por que sílica gel? Embora muitas vezes seja jogado no lixo, na verdade, é uma substância notável que pode adsorver 40% de seu próprio peso na umidade de seus arredores. Ao fazer isso, ele produz um tipo de efeito de sucção que pode ser usado para bombear calor muito como um ar condicionado convencional, mas sem usar eletricidade. Uma aplicação dessa tecnologia é em data centers para aproveitar o calor residual de servidores de alto desempenho resfriados por água quente para produzir ar frio para resfriar fontes de alimentação e armazenamento de dados no mesmo data center, essencialmente permitindo que os data centers se resfriem com seu próprio calor residual.

Os resultados estão em

Em 8 de novembro, após 47 meses de pesquisa, relatamos nossos resultados finais.

Além de resfriar data centers e outros processos industriais, o HEIG-VD identificou aplicativos promissores para AdHPs para aumentar a eficiência e a capacidade em redes de aquecimento urbano, bem como reduzir emissões e custos de energia para residências. Com base nos potenciais de aquecimento e resfriamento de AdHPs em quatro desses cenários de aplicação, A PSI projeta uma redução de 4-9 por cento no uso total de energia em 2050 para o setor de energia estacionária na Suíça de AdHPs que fazem uso do calor residual disponível para indústrias e residências, que, de acordo com o Instituto Paul Scherrer (PSI), têm um potencial de consumo total de energia 3-6% menor em 2050 na Suíça.

No THRIVE, vários marcos técnicos foram alcançados para avançar a tecnologia de bomba de calor de adsorção.

Em vez de sílica gel, Os cientistas da Empa desenvolveram um novo tipo de adsorvente de carvão ativado monolítico, semelhante ao carvão, que pode ser moldado e usinado em formas arbitrárias para caber em trocadores de calor para AdHPs. O material forneceu um poder de resfriamento 3,8x maior por unidade de massa em comparação com a sílica gel para regeneração por calor residual a 60 graus C.

Avançar, cientistas da IBM Research e ETH Zurich desenvolveram novos métodos para caracterizar adsorventes em ação e os usaram para revelar o gargalo limitador de taxa em trocadores de calor de adsorção de última geração com apenas alguns cm2 de material. Uma estrutura para prever a geometria de adsorventes de forma otimizada foi desenvolvida, e os revestimentos adsorventes foram estruturados de acordo para fornecer uma melhoria de três vezes na taxa de adsorção em comparação com os revestimentos não estruturados. Esses adsorventes estruturados são capazes de suportar uma potência de resfriamento de 5 kW para cada m2 de área do trocador de calor de adsorção.

Juntos, materiais e melhorias estruturais podem aumentar a densidade de energia dos trocadores de calor de adsorção em até um fator de 10. Isso se traduz em custo substancialmente reduzido de AdHPs futuros, tornando-os em geral economicamente, tecnologicamente e ambientalmente superior a outras abordagens para muitas aplicações

Para provar que a abordagem também funciona em maior escala, Cientistas do HSR construíram uma bancada de teste equipada com uma balança de pesagem no vácuo, capaz de caracterizar trocadores de calor por adsorção que produzem uma potência de resfriamento de até 1,5 kW. Para sistemas ainda maiores, eles também construíram um sistema de bomba de calor de adsorção de quatro câmaras que fornece até 10 kW de potência de resfriamento - que atenderia aos requisitos típicos de ar-condicionado de uma casa unifamiliar em climas quentes.

E finalmente, desenvolvemos uma estrutura para projetar trocadores de calor por adsorção de alto desempenho para indústrias com diferentes requisitos. Esta tecnologia compacta AdHP está sendo desenvolvida para resfriamento de data center e um projeto de acompanhamento já está em andamento no qual AdHPs são avaliados como transformadores de calor em redes térmicas. Outras aplicações promissoras de AdHPs compactos são para gerenciamento térmico em carros e para separação de gás, como CO ₂ captura - essa é uma abordagem multifacetada para melhorar a eficiência energética, reduzir custos e combater as mudanças climáticas.

Esta história foi republicada por cortesia da IBM Research. Leia a história original aqui.