Energie uit onverwachte hoek

 

 

 

 

Hieronder een artikel uit het Nederlands tijdschrift voor Natuurkunde van juni 2012  (verderop iets dergelijk uit het blad “scoop”)

Rubriek: Duurzaamheidsrubriek
Titel artikel: Energie uit onverwachte hoek

Auteurs: Theo van Lieshout en Rob de Jeu.

In het kader van de enorme maar vooral noodzakelijke belangstelling voor duurzaamheid kon een rubriek in het NTvN niet uitblijven. Aangezien natuurkunde een grote rol speelt in dit thema wil het NTvN hier maandelijks aandacht aan besteden. De rubriek is flexibel en kan diverse vormen aannemen zoals interviews, verslagen van bijeenkomsten, discussies of juist verdiepende stukken. De focus zal liggen op natuurkunde en techniek maar zal ook raakvlakken hebben met de maatschappij, de economie of de politiek.

Winnaar Sustainable University Award 2011
In dit eerste artikel in de duurzaamheidsrubriek legt Theo van Lieshout zijn project “Energie uit onverwachte hoek” uit die samen met studenten van de Hogeschool van Amsterdam (HvA) en de Universiteit van Amsterdam (UvA) is opgezet. Voor dit innovatieve project heeft hij en zijn team dit jaar de “Sustainable University Award 2011” mogen ontvangen.

Geïnspireerd door de Frisian Solar Challenge werd het idee geboren om op een totaal nieuwe manier energie op te wekken, aanvankelijk bedoeld om een bootje te laten varen. In plaats van warmte of licht maken we gebruik van kou. Dit doen we door op een slimme manier gebruik te maken van een gemodificeerde paraboolvorm en warmte uit te stralen naar het heelal. Als tweede moeten we de thermische energie verplaatsen. Dit doen we door gebruik te maken van de meest eenvoudige heatpipes. En als derde kunnen we als optie de thermische energie ook nog eens omzetten in beweging of elektriciteit. 

Op kleine schaal en met behulp van eenvoudige, goedkope materialen is het werkingsprincipe nu aangetoond. Wat de UvA betreft zijn er 6 natuurkunde studenten en bij de HvA werken 13 studenten aan de deelprojecten. Het project leent zich uitermate goed voor onderwijs en onderzoek, het is nieuw, creatief, innovatief, duurzaam, zeer energie zuinig en mogelijk zelfs een alternatieve energiebron.

Hoe werkt de uitstraler?

De zon straalt heel veel energie (licht) naar de aarde. Waar de zon schijnt, warmt de aarde op. Omdat de aarde thermisch zo ongeveer in evenwicht is, moet het zo zijn dat dezelfde hoeveelheid energie er ook weer uit gaat. Voor de aarde als geheel kan dat alleen maar in de vorm van warmtestraling, richting heelal.

Elk object straalt warmte uit maar ontvangt ook warmtestraling, ook als de zon niet schijnt. Dit geldt ook voor gasdeeltjes en dus ook voor bewolking.

	Als de instraling en uitstraling in balans zijn en we vergeten de convectie dan zal de temperatuur van het object niet veranderen.
	Als we nu de uitstraling hetzelfde houden en de instraling verminderen, dan gaat de temperatuur van het object omlaag.

 

De straling is zeer temperatuur afhankelijk, het gaat met de vierde macht van de absolute temperatuur. De uitstraling is alleen afhankelijk van de oppervlakte en de temperatuur. De instraling is afhankelijk van de oppervlakte van het object en het deel van het heelal waar het naar kijkt. Denk aan getallen tot theoretisch maximaal 400W/m² bij 16 ˚C.

 

Plaatsen we een object in een parabool of soortgelijke vorm, dan kunnen we gewoon uitstralen. Een object dat straalt in een parabool, produceert een evenwijdige straal recht uit de parabool, denk maar aan een zaklantaarn.

 

Omgekeerd, alleen  straling die recht van boven in de parabool straalt, komt op het object terecht. Dat betekent dat alles wat buiten het werkgebied van de parabool valt, niet op het object terecht komt. Met andere woorden, de uitstraling blijft in stand, de instraling wordt fors beperkt: het object wordt koud, heel koud.

 

Bij een diepe parabool kijk je naar een klein deel van het heelal. Daar komt bij helder weer, zeer weinig straling vandaan. Het lijkt of de temperatuur daar extreem koud is. Denk aan -30 tot -60 ˚C  of nog kouder. Uit praktische overwegingen hebben de parabolen een diameter van ca 10 cm.

Zwart ijs: Het mooiste bewijs dat het bij thermische uitstraling om enorme hoeveelheden energie gaat. De uitdaging is nu om het te benutten.

Hoe werkt de gebruikte heatpipe?

We gebruiken de meest basale heatpipe die bestaat uit een afgesloten buis, uitsluitend gevuld met een gedeeltelijk tot vloeistof gecomprimeerd gas. Bijvoorbeeld propaan. Als aan de bovenkant de buis kouder is dan onder zal daar het gas condenseren en naar beneden druppelen waar het door warmte beneden weer verdampt en weer gas wordt: Er is een extreem goed passief warmte/koude transport. Dus geen pomp of iets dergelijks.

Wat kan je met kou doen?

Ruimtekoeling: door middel van een heatpipe kan je passief de kou van de straler naar een ruimte voeren. (correcter gezegd, de warmte wordt afgevoerd). Denk hierbij aan plafondkoeling als tegenhanger van vloerverwarming. Ook apparatuur kan direct gekoeld worden. En je zou het ook kunnen gebruiken voor rendementsverhoging van airconditioners of andere koelmachines zoals ijsbanen. Direct gebruik van kou is verreweg het meest efficiënt.

Maar als alternatieve energiebron kan je kou samen met grond- of restwarmte ook omzetten in beweging of elektriciteit. Het rendement is wel beperkt door de Carnot cyclus. Denk aan een paar procent bij tien graden temperatuurverschil. Een groter temperatuurverschil betekent een hoger rendement. We maken hier gebruik van een thermische motor. Een Stirling motor wordt onpraktisch groot bij beperkte temperatuur verschillen. Een nieuwe, compacte thermische motor met bijzondere eigenschappen wordt ontwikkeld, een patent wordt daarvoor onderzocht. Ook kan de thermische energie direct omgezet worden door een thermisch elektrische generator (TEG). Dit heeft een zeer laag rendement (< 1%) maar is heel klein en daarom wel geschikt voor “smart sensors”.

In het studentenproject hebben we nu de uitstraling aangetoond en de theoretische grenzen vastgesteld. Nu komen we in de fase om een wetenschappelijk onderzoek te starten en metingen te doen. Hopelijk wordt dat binnenkort opgestart. Bij de HvA/UvA is een paar vierkante meter dakoppervlak beschikbaar gesteld voor een eenvoudige pilot om als experiment een kleine ruimte te koelen.

Ongetwijfeld komt de vraag op of dit een concurrent is van zonnepanelen. Helaas is dat niet het geval. Standaard zonnepanelen hebben nu een rendement van ongeveer 15% en dat groeit nog, wel zijn nog steeds duur en moeten op de zon gericht zijn.

Als de kou van de stralers direct gebruikt kan worden dan kan het een grote rendementsverhoging geven van bijvoorbeeld airconditioners, dan is dat is absoluut een grote energiebesparing.

Als we proberen de kou in beweging of elektriciteit om te zetten dan hebben we een laag rendement van maximaal 5% bij twintig graden verschil. Het is echt niet zo efficiënt als zonnepanelen maar werkt dag en nacht als het maar een beetje helder is. Het leuke is, het werkt overal. Ook op de Noord- en Zuidpool, op de noordkant van een berg of op de noordkant van een huis. De zon is niet nodig, sterker nog, daar heb je alleen maar last van. Waar de zonnepanelen stoppen gaan de parabolen verder. Dit project heeft de potentie om bij te kunnen dragen aan de mix van diverse duurzame energiebronnen, door efficiëntieverbeteringen van bestaande apparatuur en mogelijk zelfs het decentraal kunnen opwekken van een beperkte hoeveelheid elektrische energie. Dit gaat ons zeker niet in de koude kleren zitten

 

blad Scoop van november 2012:Hieronder een artikel uit het blad Scoop van november 2012:

Onlangs is er een interessante discussie opgestart over de vraag of het praktisch mogelijk is om energie op te wekken door warmte uit te stralen. Dit was naar aanleiding van de uitreiking van de “Sustainable University Award 2011” voor het project “Energie uit onverwachte hoek”.

Ongeveer een jaar geleden zijn we begonnen met een project voor studenten Natuurkunde van de FNWI in samenwerking met studenten van de HvA domein Techniek. We zochten naar een educatief project dat in teamverband gedaan kon worden en aspecten heeft van zowel Natuurkunde als Techniek.

Geïnspireerd door de  “ Frisian Solar Challenge” hebben we bedacht om als extreme uitdaging ’s nachts een bootje te laten varen op de grachten van Amsterdam, puur en alleen op de thermische uitstraling.

Al gauw waren de meningen gevormd en het zou nooit wat kunnen worden. Op “de achterkant van een sigarendoosje” werden berekeningen gemaakt waaruit bleek dat het heel weinig oplevert. Niemand verwacht ook dat er straks een speedboot door de grachten gaat zonder brandstof of zonnepanelen. Maar eigenwijs als we zijn, pruttelt het idee toch verder. Het gaat immers echt niet meer om het bootje maar om het idee wat je allemaal met die kou kunt doen.

Thermische uitstraling, hoeveel is het dan eigenlijk? De uitstraling van de aarde als geheel is gemiddeld, dag en nacht, 350 W/ m² het hele jaar door. Op de polen iets minder, op de evenaar iets meer. De temperatuur van een oppervlak wordt bepaald door een balans van in- en uitstraling. Het uitstralen wordt bepaald door  de wet van Stefan Boltzmann  P = ε . σ . A . T⁴  hierbij is ε de emissiviteit  ≤1 , σ = constante van Stefan Boltzmann = 5,67 . 10^-8 en A = de oppervlakte (m² ) en T is de absolute temperatuur (K). Het instralen gebeurt op dezelfde manier echter, bij helder weer is de atmosfeer gedeeltelijk transparant en wordt er minder ingestraald. Hierdoor wordt er meer uitgestraald dan ingestraald en koelt het object af. We kunnen de verhouding uitstralen versus instralen ook nog beïnvloeden door gebruik te maken van afscherming zoals bv. bij parabolen. Het uitstralen blijft dan hetzelfde maar het instralen van opzij kan dan tegengehouden worden. Hierdoor wordt het extra koud. Als project heeft een van de studenten een prachtig rapport geschreven over de effecten van parabolen en spectraal selectieve materialen.

 

Zwart ijs: het mooiste bewijs dat het om heel grote hoeveelheden energie gaat. 5 cm ijsgroei in een heldere nacht is mogelijk.

De volgende vraag is dan natuurlijk, wat kan je met kou doen, wat is de toepassing? Dat blijkt zeer veel te zijn. Kou is soms waardevoller dan de gelijke hoeveelheid energie aan warmte. Tegenwoordig kan je bij wijze van spreken een goed geïsoleerd huis met een waxinelichtje op temperatuur houden. Er is namelijk heel veel afvalwarmte in de vorm van elektrische apparatuur. Om hetzelfde huis te koelen heb je een forse installatie nodig. Bij de industrie en kantoorgebouwen is het niet anders. Het koelen gebeurt veelal met warmtepompen (airconditioners), dit is heel inefficiënt. Onlangs is er een pilot opgestart bij de HvA als gevolg van de “Sustainable University Award 2011”. We hebben een paar vierkante meter dakoppervlak en een kleine ruimte ter beschikking gekregen om te experimenteren. Het idee is om de airco een handje te helpen door de uitlaattemperatuur te verlagen door de warmte uit te stralen in plaats van weg te blazen.  Hierdoor gaat het rendement, beter gezegd, de Coëfficiënt Of Performance (COP) omhoog. Het energieverbruik kan daardoor aanmerkelijk minder worden, gedacht wordt aan een factor 2 a 3. Bij één enkele industriële airconditioner van 10 kW koelvermogen praten we al over een besparing van naar schatting 2000 kWh per jaar (> 1000 kg CO₂/jaar).
Stel, we hebben kou gemaakt op een dak, wat dan? Dan moet het verplaatst worden. Hiervoor gebruiken we de meest basale heatpipes. Deze werken volgens het principe van Watt: We hebben een afgesloten buis gedeeltelijk gevuld met uitsluitend een tot vloeistof gecomprimeerd gas, bijvoorbeeld propaan. De druk in de buis wordt bepaald door de temperatuur van het vloeistof -oppervlak. Verwarming van de vloeistof zorgt voor drukverhoging, afkoeling van de buis zorgt voor condensatie, de druk daalt en de druppeltjes vallen naar beneden. Er is dan een extreem efficiënt en passief warmtetransport, zelfs tot 23 kW/ cm². Gelukkig zit de straler altijd boven en een eventuele warmtebron in ons geval altijd onder. Voor ons is dit type heatpipe dus goed bruikbaar. Het afgelopen jaar is er bij de HvA een zeer lange en flexibele heatpipe ontwikkeld in samenwerking met UvA studenten. Toepassingen zouden bijvoorbeeld plafondkoeling kunnen zijn (rijgen door een gebouw) of koeling van data centers.

Voorbeeld van een industriële airco.  Warmte uitstralen in plaats van wegblazen zou veel effectiever kunnen zijn.

Stel, we hebben grondwarmte of restwarmte en we hebben kou, dan denkt men al gauw aan een thermische motor, de Stirlingmotor. Vriend en vijand zijn het er over eens dat dit geen ideale oplossing is. Allereerst kunnen we de natuurkundewetten niet veranderen dus zitten we gebakken aan het (lage) Carnot rendement. Dit is nooit beter dan het temperatuurverschil gedeeld door de absolute temperatuur. Daarnaast wordt een uitvoering echt onpraktisch groot. Een totaal nieuw concept van een motor is nu in ontwikkeling, nog steeds als bezwaar dat het een laag rendement heeft maar wel extreem compact, van kunststof en bedoeld voor lage temperaturen. Een prototype is in ontwikkeling en een patent wordt onderzocht.
En wat te denken van een ijsbaan, onnodig te noemen dat het om extreme getallen gaat. Ander toepassingen van het uitstralen zijn het maken van water in de woestijn door vocht in de lucht te laten condenseren of het koud houden van voedsel of medicijnen in Afrika.

Ook is er een alternatieve manier om met een nog lager rendement (<1%), passief een klein beetje elektriciteit te maken met een Thermo Elektrische Generator (TEG). Dit heeft bijzonder mogelijkheden bij smartsensors. Deze hebben zeer weinig elektriciteit nodig om te werken.

De meest simpele TEG: Het Peltier Element.

Breng een temperatuurverschil aan en er komt een spanning af.

Wat ook heel bijzonder is dat het principe ook werkt op de Noord- of Zuidpool daar is immers water van rond -1˚C, een luchttemperatuur van -30˚C en een hemeltemperatuur van -80˚C. Hier kan met een thermische motor de nagenoeg onbeperkte laagwaardige thermische energie omgezet worden in een bescheiden hoeveelheid mechanische of elektrische energie. De zon is niet nodig, sterker nog, daar heb je alleen maar last van.
Dan nog even terug naar het bootje. Wat kunnen we daar nu van verwachten? Eerlijk is eerlijk, de verwachting is dat er niet meer dan 10 W/ m² uiteindelijk over blijft. Met een bootje van 5 m² is dat slechts 50 W. Dat is niet veel maar wel heel indrukwekkend, niemand verwacht dat.

Hoewel het oorspronkelijke idee, het bootje, voorlopig niet doorgaat, is er wel zeer interessante spin-off: koelen door uitstralen, passief warmtetransport d.m.v. heatpipes en hopelijk ook een totaal nieuw concept van een thermische motor.

Samenvattend, het is een heel bijzonder project, het is nieuw, creatief, duurzaam, educatief, energiebesparend, een mooi voorbeeld voor samenwerking HvA-UvA en er is ook nog een grote belangstelling uit het bedrijfsleven vanwege de spin-off. Hopelijk wordt het ook opgepakt voor een echt wetenschappelijk onderzoek. Het is immers nog niet allemaal wetenschappelijk bewezen.

Theo van Lieshout