In 2011 heb ik meegedaan aan de Sustainable University Award, de SUA.
Het idee was om warmte uit te stralen en mogelijk ook te hergebruiken. Hieronder de inzending. Ik heb hiermee de eerste prijs gewonnen als innovatief idee. Aan het eind een korte extra uitleg.
Geachte Jury,
Graag wil ik een inzending aanleveren voor de “ Sustainable University Award 2011”.
Als ik het in 20 woorden zou moeten omschrijven dan zou dit als volgt luiden:
“ Restwarmte gratis afvoeren en in beperkte mate energie opwekken door thermische uitstraling.
Dit in een gezamenlijk (al lopend) UvA-HvA studentenproject. “
Helaas dekken deze woorden bij lange na niet de lading.
Eerst even een introductie:
Onlangs is er het idee geopperd om thermische uitstraling te gebruiken als energiebron. Dit in het kader van energy harvesting. We doen dit door kou te genereren. Dit is net zo waardevol als warmte. Voor zover bekend is dit nog nergens ter wereld gedaan. Na een aanvankelijk sceptische houding van diverse wetenschappers draait het nu om in een positieve en zelfs enthousiaste houding.
De enorme diversiteit aan natuurkundige aspecten is reden geweest om het idee nu in de opleiding mee te nemen vooral vanwege de grote educatieve waarde. Tegelijk worden testjes ook opgenomen in het natuurkundig practicum.
Ter informatie:
De zon straalt met 1387W/m2 naar de aarde, hoofdzakelijk in de vorm van zichtbaar licht. Op enig moment moet de energie ook weer weg anders zou de temperatuur op aarde snel toenemen. Dit gebeurt in de vorm van warmtestraling. Gemiddeld over de hele aarde is dit ca 350W/m2, dag en nacht en ook op de polen.
Wij willen deze thermische energie gaan gebruiken door veel koude te maken door uitstraling. Tot min 80 ˚C is zelfs mogelijk. Kou kan namelijk net zo waardevol zijn als warmte. Het is tevens een gratis energiebron.
Hoe werkt het? De temperatuur op een oppervlak wordt bepaald door het verschil van instraling en uitstraling. Uitstraling is een gegeven met als enige variabele de temperatuur (tot de vierde macht). Door de instraling kleiner te maken dan de uitstraling, zal de temperatuur naar beneden gaan. Dit kan gedaan worden door gebruik te maken van parabolische reflectoren. Allerlei testjes zijn gedaan om het principe aan te tonen. De werking wordt beperkt door bewolking. Hoe helderder de hemel, hoe kouder het wordt.
We kunnen hiermee restwarmte afvoeren of gedeeltelijk omzetten in hoogwaardige energie. Helaas kan dit laatste volgens de theorie alleen maar met een laag rendement. In principe werkt dit overal, dag en nacht, zelfs bij de polen waar geen zonlicht is.
Als de kou eenmaal gemaakt is, dan moet het vervolgens getransporteerd worden. Dit gebeurt door middel van heatpipes. De uitdaging voor studenten is om deze lang en flexibel te maken.
En tenslotte moet de thermische energie omgezet worden in mechanische of elektrische energie. Dit doen we door een Stirling motor. Ook dit is een flinke uitdaging. Bij Stirling motoren wordt altijd gedacht aan hete lucht, vanwege de bijnaam heteluchtmotor. Wij gaan hem juist bij lage temperaturen gebruiken, zoals gezegd, helaas zoals eerder gezegd met een laag rendement. Ook een pittige uitdaging.
Kortom, zowel technisch als natuurkundig een heel fraai project.
Om studenten een “handvat” te geven willen we een bootje laten varen in de grachten van Amsterdam, MIDDEN IN DE NACHT, ZONDER brandstof of acculadingen.
Als spin-off zijn er interessante toepassingen: Door het uitstralen genereren we koude. Anders gezegd we voeren warmte af. Een van de grote problemen in gebouwen (dus ook de UvA en HvA) is het afvoeren van warmte. Door het uitstralen of zelfs gedeeltelijk regenereren van de energie is er een flinke winst te behalen. Het is gratis.
Andere spin-off mogelijkheden zijn het maken van beperkte hoeveelheden gratis elektriciteit (ook op de Noord en Zuidpool, geen zonlicht, geen brandstof), het genereren (condenseren) van water in de woestijn tot en met het koelen van een blikje bier op het strand.
De inzending:
Het gratis (passief) afvoeren van restwarmte door gebruik te maken van thermische uitstraling:
Een van de grote problemen in gebouwen (dus ook van de UvA en HvA) is het afvoeren van warmte. Heel veel apparatuur dumpt de warmte in de ruimte waar deze geplaatst is. Dit geldt in het bijzonder voor computer/server ruimtes. Als vuistregel geldt dat voor een gegeven hoeveelheid warmte, maar liefst anderhalf keer zoveel energie ingestopt moet worden om dit af te voeren. Flinke airconditioning installaties, ventilatoren en koeltorens zijn hiervoor nodig. Wegstralen zou hierop vooral een goedkope en efficiënte aanvulling kunnen zijn. Hier zijn geen energiekosten, het gebeurt passief.
De techniek die ontwikkeld wordt bij het eerder beschreven studenten project is dus ook te gebruiken om de restwarmte weg te stralen. Dit kan het effectiefst als de bron een zo hoog mogelijke temperatuur heeft. Bij 16 ˚C kan in theorie het uitgestraalde vermogen oplopen tot 400W/m2. Bij 40 ˚C is dit 540W/m2. In tegenstelling tot het eerder beschreven studentenproject zullen hier geen problemen ontstaan met condens waardoor het in principe eenvoudiger is.
In een beperkt aantal gevallen kan het zelfs interessant zijn om de restwarmte van voldoende hoge temperatuur om te zetten in beweging en of elektriciteit.
In dat geval kan door middel van bijvoorbeeld een Stirling motor de energie zowel afgevoerd worden als ook gedeeltelijk terug worden gewonnen. Het rendement is echter laag en wordt bepaald door het temperatuurverschil en kan variëren tussen 5 en 15%.
Hoe duurzaam mag het zijn?
Het basis idee:
Het gratis afvoeren van restwarmte:
De bron van de restwarmte. Apparatuur zoals computers en servers genereren heel veel warmte die afgevoerd moet worden
Door middel van heatpipes wordt de restwarmte passief naar de straler toegevoerd. Dit kost dus geen extra energie. Koppeling aan bestaande infrastructuur is mogelijk.
Een straler staat op het dak van het gebouw. 300 – 500 W/m2 kan weggestraald worden bij helder weer, s’ nachts maar ook overdag. Koppeling aan bestaande infrastructuur is mogelijk. Hiertoe worden parabolen gebruikt om extra kou te maken (beter gezegd lagere temperaturen te maken door kleinere oppervlakte en de flux te vergroten)
In een variant hierop kan er ook nog een Stirlingmotor gebruikt worden om elektriciteit op te wekken.
Aanvulling:
Voor het wegstralen was bedacht om daar parabolen voor te gebruiken. Dat heeft inderdaad het voordeel dat de temperatuur in de kern (veel) lager kan worden. Het vermogen daarentegen neemt meer dan evenredig af.
Sindsdien is er veel onderzoek geweest naar de potentie van thermische uitstraling.