¿Pueden los paquetes desecantes de gel de sílice, a menudo se encuentran en cajas de zapatos y electrónicos, ser la respuesta a nuestros desafíos energéticos para los edificios? Un proyecto de cuatro años demuestra que sí, algo así como.

Según la Comisión Europea, La calefacción y la refrigeración en los edificios y la industria representan la mitad del consumo energético de la UE. y los combustibles fósiles generan el 84 por ciento de esta calefacción y refrigeración. Se espera que el sector juegue un papel crucial en CO ₂ reducción de emisiones para alcanzar los objetivos climáticos de la UE de aquí a 2050. Al mismo tiempo, la cantidad de calor desperdiciado por procesos industriales y edificios en la UE, incluidos los centros de datos, Se estima que cubre todas las necesidades de calefacción de la UE en edificios residenciales y terciarios.

¿Qué es el calor residual?

Algunos ejemplos de calor residual incluyen el calor que se escapa de una casa a través de la chimenea, el calor que se escapa de un automóvil a través del escape, y el aire caliente o el agua que se desprende de una estufa de cocina, ducha, lavavajillas, lavadora o secadora de ropa. En total, estos flujos de calor residual son comparables a la cantidad total de electricidad consumida por los hogares residenciales.

En procesos industriales, el calor residual es producido principalmente por centrales eléctricas, Procesos de combustión y equipos de fabricación. En general, aproximadamente el 70 por ciento de toda la energía producida termina como calor residual.

A menudo, este calor residual no se puede utilizar porque su temperatura no es adecuada y puede ser difícil de capturar. Por lo tanto, Existe una demanda de tecnología de conversión de calor para acceder al enorme potencial de este calor esencialmente "gratuito". Y si eso no fuera lo suficientemente desafiante, esta tecnología también debe tener un consumo mínimo de electricidad para aliviar la carga en la red, que se asocia con variaciones diarias y estacionales en la demanda de calefacción y refrigeración.

Adelante THRIVE

Hace cuatro años, científicos de IBM Research - Zurich, Universidad de Ciencias Aplicadas Rapperswil (HSR), Empa, ETH Zúrich, la Escuela de Administración e Ingeniería de Vaud (HEIG-VD), Instituto Paul Scherrer (PSI), y varios colaboradores adicionales se unieron para abordar este problema y se unieron en un proyecto llamado THRIVE (Bombas de calor impulsadas térmicamente para la sustitución de electricidad y combustibles fósiles). La investigación se centró en la tecnología de bomba de calor de adsorción (AdHP), que se basa en el uso de materiales adsorbentes como gel de sílice, bien conocido por esos pequeños paquetes "No comer" que a menudo encontramos en productos empaquetados.

¿Por qué gel de sílice? Si bien a menudo se tira a la basura, en realidad, es una sustancia notable que puede absorber el 40 por ciento de su propio peso en humedad de su entorno. Al hacerlo, Produce una especie de efecto de succión que se puede utilizar para bombear calor de forma muy similar a un acondicionador de aire convencional, pero sin usar electricidad. Una aplicación de esta tecnología es en los centros de datos para aprovechar el calor residual de los servidores de alto rendimiento refrigerados por agua caliente para producir aire frío para enfriar las fuentes de alimentación y el almacenamiento de datos en el mismo centro de datos. esencialmente permitiendo que los centros de datos se enfríen con su propio calor residual.

Los resultados están en

El 8 de noviembre después de 47 meses de investigación, informamos nuestros resultados finales.

Además de enfriar los centros de datos y otros procesos industriales, HEIG-VD identificó aplicaciones prometedoras para AdHP para aumentar la eficiencia y la capacidad en las redes de calefacción de distrito, así como reducir las emisiones y los costos de energía para los hogares. Basado en los potenciales de calentamiento y enfriamiento de AdHPs en cuatro de estos escenarios de aplicación, PSI proyectó un uso total de energía entre un 4 y un 9 por ciento menor en 2050 para el sector de energía estacionaria en Suiza de los AdHP que utilizan el calor residual disponible para las industrias y los hogares. que según el Instituto Paul Scherrer (PSI) tienen el potencial para un uso total de energía entre un 3 y un 6 por ciento menor en 2050 en Suiza.

En THRIVE, Se lograron varios hitos técnicos para avanzar en la tecnología de bombas de calor de adsorción.

En lugar de gel de sílice, Los científicos de Empa desarrollaron un nuevo tipo de adsorbente de carbón activado monolítico, similar al carbón, que se pueden moldear y mecanizar en formas arbitrarias para encajar en intercambiadores de calor para AdHP. El material proporcionó una potencia de enfriamiento 3.8 veces mayor por unidad de masa en comparación con el gel de sílice para la regeneración por calor residual a 60 grados C.

Más lejos, Los científicos de IBM Research y ETH Zurich desarrollaron nuevos métodos para caracterizar los adsorbentes en acción y los utilizaron para revelar el cuello de botella que limita la velocidad en los intercambiadores de calor de adsorción de última generación con solo unos pocos cm2 de material. Se desarrolló un marco para predecir la geometría de adsorbentes de forma óptima, y los revestimientos adsorbentes se estructuraron en consecuencia para proporcionar una mejora triple en la velocidad de adsorción en comparación con los revestimientos no estructurados. Estos adsorbentes estructurados son capaces de soportar una potencia de enfriamiento de 5 kW por cada m2 de área del intercambiador de calor de adsorción.

Juntos, Los materiales y las mejoras estructurales pueden mejorar la densidad de potencia de los intercambiadores de calor de adsorción hasta en un factor de 10. Esto se traduce en un costo sustancialmente reducido de los futuros AdHP, haciéndolos en general económicamente, tecnológicamente y ambientalmente superior a otros enfoques para muchas aplicaciones

Para demostrar que el enfoque también funciona a mayor escala, Los científicos de HSR construyeron un banco de pruebas equipado con una balanza al vacío, capaz de caracterizar intercambiadores de calor por adsorción que producen una potencia frigorífica de hasta 1,5 kW. Para sistemas aún más grandes, también construyeron un sistema de bomba de calor de adsorción de cuatro cámaras que entrega hasta 10 kW de potencia de enfriamiento, que cumpliría con los requisitos típicos de aire acondicionado de una casa unifamiliar en climas cálidos.

Y finalmente, Desarrollamos un marco para diseñar intercambiadores de calor de adsorción de alto rendimiento para industrias con diferentes requisitos. Esta tecnología compacta de AdHP se está desarrollando aún más para la refrigeración de centros de datos y ya está en marcha un proyecto de seguimiento en el que los AdHP se evalúan como transformadores de calor en redes térmicas. Otras aplicaciones prometedoras de los AdHP compactos son la gestión térmica en automóviles y la separación de gases, como CO ₂ captura:ahora es un enfoque múltiple para mejorar la eficiencia energética, reducir costos y combatir el cambio climático.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de IBM Research. Lea la historia original aquí.