Căldura reziduală ne costă bani şi ne perturbă climatul. Dar există planuri de a o recicla şi de a o pune la treabă. Citiţi în cele ce urmează despre următoarea revoluţie energetică: reţelele inteligente de încălzire bazate pe utilizarea căldurii reziduale.
Adânc în tunelurile metroului londonez, după modelul multor altor sisteme similare de pe mapamond, este atât de cald încât te simţi ca în iad. Totuşi, într-un subsol aflat la numai câţiva metri depărtare, un boiler este pornit pentru încălzirea apei de la duşul cuiva.
Mai degrabă decât să fierbem în propria căldură în exces, ce ar fi dacă am putea-o face să lucreze pentru noi? Nu există nicio penurie de căldură reziduală, până la urmă. De-a lungul sistemului nostru energetic – de la generarea de electricitate într-o centrală electrică la fierberea unui ceainic, de la folosirea unei centrale pentru încălzirea caselor la energia necesară funcţionării unui autoturism – mai mult de 50 la sută din energia pe care o folosim se pierde în mediul înconjurător sub forma căldurii reziduale.
Recapturarea acesteia nu ar fi benefică numai pentru portofelele noastre. Acest proces ar putea chiar inversa unele dintre efectele distrugătoare produse asupra mediului de căldura reziduală provenind de la oraşele noastre.
Vestea bună este că există câteva oraşe care au găsit o cale de a recicla căldura reziduală, în unele locuri neaşteptate. Aceste oraşe construiesc sisteme care furnizează căldură în aproximativ acelaşi mod în care reţelele tratează electricitatea şi apa. Ar putea fi acestea portdrapele pentru noua revoluţie energetică?
Căldura reziduală reprezintă o problemă enormă. Un raport din 2008 al Departamentului American pentru Energie a prezentat faptul că energia pierdută sub formă de căldură în fiecare an de industria americană, este egală cu consumul anual de energie a 5 milioane de americani. Industria producătoare de energie este un inculpat major; căldura pierdută de acest sector depăşeşte singură întregul consum de energie al Japoniei. Situaţia în alte ţări industrializate nu este cu mult mai bună.
Raportul a estimat şi faptul că, dacă folosim tehnologiile corecte, am putea recicla aproape jumătate din această energie, dar este mult mai uşor de spus decât de făcut. “Noi vorbim des despre cantitatea de căldură reziduală”, spune David MacKay, consultant ştiinţific şef pentru Departamentul pentru Energie şi Schimbări Climatice al Marii Britanii, “dar nu şi de calitatea acesteia.” Mare parte din ceea ce noi considerăm a fi “căldură reziduală” nu este chiar atât de fierbinte; aproape 60 la sută din aceasta are sub 230 de grade Celsius. Deşi ar părea a fi destul de fierbinte, este, în fapt, prea rece pentru pornirea unei turbine pentru a putea produce electricitate.
Alternativa este simpla mutare a căldurii direct acolo unde este necesară. Aceasta este exact treaba realizată de “centralele de cogenerare”. Acestea sunt centrale electrice care reciclează o parte sau întreaga cantitate de căldură reziduală produsă şi o trimit – sub formă de vapori sau apă clocotită – printr-o reţea de conducte, la oraşele din apropiere. Acolo, clădirile se conectează la reţea pentru încălzirea rezervelor de apă sau a aerului pentru încălzirea centrală.
Multe ţări încurajează cogenerarea. O iniţiativă de cogenerare în Statele Unite, de exemplu, ar putea produce o economie de 10 miliarde de dolari anual. În plus, cogenerarea le permite centralelor electrice să-şi majoreze eficienţa de la 30 la sută la aproape 90 la sută.
Totuşi, căldura reziduală provenind de la centralele electrice este doar o picătură în ocean în comparaţie cu căldura pierdută din casele, birourile, maşinile de teren şi trenurile noastre. Căldura reziduală din această multitudine de surse este mult mai dificil de valorificat decât căldura reziduală provenind de la surse singulare şi concentrate cum sunt centralele electrice, pentru că această căldură practic ne alunecă printre degete, fără a o putea reţine uşor. În plus, este de-abia îndeajuns de caldă pentru a fi demnă de numele său. Reciclarea unei astfel de călduri este mult mai complicată.
După cum stă treaba, există o tehnologie care poate stoarce energie de pe urma temperaturilor călduţe şi se pare ca am avut acces de mult timp la ea. Pompele de căldură care folosesc energia geotermală i-au ajutat pe proprietarii de case să economisească bani din factura de încălzit din anii 1940, atunci când inventatorul american Robert Webber a descoperit că putea inversa procesul de refrigerare pentru a extrage căldură din sol.
Sistemul profită de faptul că solul este un conductor foarte slab de căldură; în regiunile temperate – indiferent de temperatura de suprafaţă – la câţiva metri în subteran, solul are mereu o temperatură în jurul valorii de 10 grade. Pompele de căldură care folosesc energia geotermală se pot conecta la această temperatură stabilă pentru încălzirea, în timpul iernii, a unei case.
Mina de căldură subterană
Mecanismul este simplu. O reţea de conducte realizează un circuit între interiorul casei şi o bobină îngropată în subteran. Aceste conducte conţin un amestec de apă şi refrigerent lichid. În momentul în care amestecul fluid călătoreşte prin ţevile îngropate în subteran, acesta absoarbe căldura din bobina aflată la 10 grade Celsius. Deşi aceasta nu este o temperatură care să poată fi considerată a fi una înaltă, aceasta produce, fără îndoială, evaporarea sub formă de gaz a refrigerentului din fluid. Atunci când acest gaz circulă înapoi în casă, este furnizat unui compresor, care intensifică foarte mult căldura. Acea căldură poate fi apoi folosită de un schimbător de căldură pentru a-ţi încălzi apa caldă sau conductele de aer.
Acest mecanism este suficient de puternic pentru a furniza, în mod eficient, căldură chiar şi în locuri atât de reci ca Norvegia şi Alaska. Pe lângă asta, este şi ieftină. În Marea Britanie, cele mai eficiente sisteme au redus facturile de încălzire cu 30 la sută, pentru că comprimarea unui gaz pentru a-ţi încălzi locuinţa necesită mult mai puţină energie decât metodele tradiţionale de încălzire pe bază de gaze sau electricitate.
Dar asta nu este totul. Inversează procesul normal de funcţionare al unei pompe pe energie geotermală şi aceasta îţi va răci casa în timpul verii. Dacă pământul este îndeajuns de rece, fluidul din ţevi pur şi simplu absoarbe căldura din interiorul clădirii în locul celei din sol. Singurul cost este reprezentat de circularea fluidului prin conducte. “Poţi folosi acest sistem ca o sursă gratis de răcire”, spune Stephen Hill, asociatul aflat la Londra al multinaţionalei din domeniul ingineriei Arup.
Perspectiva unei încălziri şi răciri ultraeficiente ar putea explica motivul pentru care popularitatea pompelor de căldură a explodat, spune Hill. În 2010, piaţa de desfacere a pompelor de căldură din Marea Britanie a crescut la aproape 50 de milioane de lire sterline, cele mai multe dintre acestea fiind instalate în locuinţe şi clădiri comerciale noi. Mecanismul funcţionează chiar şi mai eficient atunci când este folosit la potenţialul maxim, spune Hill. De exemplu, Pacífico, o staţie de metrou din Madrid, Spania, foloseşte o pompă pentru energia geotermală pentru furnizarea întregii încălziri şi răciri necesare.
Dar aici întâlnim un lucru interesant. Poţi eficientiza aceste sisteme doar până când te loveşti de un zid fundamental. Este pur şi simplu imposibil să instalezi o pompă pentru energie geotermală sub fiecare clădire din oraş. Pentru început, instalarea necesită săpături la fundaţia de sub clădirile existente. Dar, chiar şi pentru o construcţie nouă, ar fi necesare – cum a fost cazul în Madrid – săpături până la adâncimi de câteva sute de metri sub pământ pentru a putea instala conducte îndeajuns de lungi, pentru a permite schimbul de căldură care ar fi îndeajuns de eficient pentru acoperirea unui întregi clădiri de birouri sau apartamente.
Există o alternativă, totuşi, şi este chiar şi mai eficientă: folosirea pompelor de căldură pentru reciclarea căldurii reziduale urbane. La fel cum pompele pentru energia geotermală extrag căldura din pământ, pompele pentru căldura reziduală urbană ar putea extrage căldura reziduală acumulată din abundenţă sub oraşele noastre – de la sistemele de metrou la canalizări. Ele ar putea chiar să o redirecţioneze acolo unde este necesară, folosind un sistem de conducte şi schimbătoare de căldură, creând astfel o reţea de căldură urbană.
Pasagerii se plâng deseori de cum căldură reziduală se acumulează în tunelurile de tren de sub multe din marile noastre oraşe. Chiar şi într-o zi relativ rece, temperaturile de pe platformele din sistemul de metrou londonez pot ajunge la 20 de grade Celsius. Pentru a recicla această căldură, companiile germane Züblin şi Rehau, împreună cu Arup, au creat o căptuşeală pentru segmentele de tunel care funcţionează după modelul bobinelor îngropate ale pompelor pentru energia geotermală, folosind căldură generată de motoare şi frâne, împreună cu cea a pământului din împrejurimi, pentru a încălzi refrigerentul, din nou folosind compresia. Datorită faptului că acest proces transferă energia în exces de la tunel la refrigerent, procesul provoacă şi răcirea tunelului.
Această căptuşeală – denumită Energietübbing – a fost plasată pe o porţiune cu o lungime de 54 de metri a tunelului noii linii ferate de mare viteză din Jenbach, Austria, pentru furnizarea unei cantităţi îndestulătoare de căldură clădirii municipale de deasupra, pentru înlocuirea completă a centralei pentru încălzire existente. Acest proces este în continuare optimizat, dar în prima sa iarnă încununată de succes a făcut faţă unor temperaturi exterioare doar cu puţin peste – 15 grade Celsius.
Navetiştii londonezi ar putea beneficia şi ei, în curând, de acest proces. Crossrail, o cale ferată care este construită sub oraş, are în plan Energietübing pentru mai multe segmente ale noului tunel, unde ar putea răci tunelul şi ar şi furniza căldura rezultată clădirilor de deasupra.
Tunelurile de metrou nu sunt singura sursă de căldură reziduală urbană. Să considerăm duşul pe care l-ai făcut în această dimineaţă sau hainele pe care le-ai spălat în weekend. Căldura care s-a curs prin sistemul de canalizare din Statele Unite a deturnat 350 de miliarde de kilowaţi-oră anul trecut – cantitate comparabilă cu întreaga cantitate de electricitate produsă de sectorul hidroenergetic al Statelor Unite. Energia s-a dispersat în canalizări, care "fierb" la o temperatură medie de 15 grade Celsius.
Proiecte din toată lumea sunt pe cale să folosească pompele de căldură pentru reciclarea unei părţi din căldura din apele uzate. Unul dintre primele oraşe care şi-a folosit canalizarea călduţă pentru încălzire pe scară largă, a fost Oslo din Norvegia. Acolo, versiuni mult mai mari ale bobinelor de pompă de energie geotermală sunt scufundate în apa menajeră curgătoare. Din nămolul care curge prin canalizare, instalaţia extrage de la 3 la 5 grade Celsius, care sunt apoi concentrate prin compresie până la o temperatură mult mai înaltă de 90 grade Celsius. Şi, prin acest proces simplu, călduţa canalizare furnizează căldură şi apă caldă, printr-un sistem de conducte, pentru 13.000 de apartamente.
Şi alte ţări au recunoscut această potenţială mină de aur. Vancouver reciclează căldura din sistemul de canalizare şi o redirecţionează către un district care include Satul Olimpic construit pentru Jocurile Olimpice de iarnă din 2010, unde aceasta furnizează aproape 70 la sută din căldura şi apa caldă necesare. Oraşul plănuieşte să-şi dezvolte reţelele de căldură, conectându-le la o varietate de surse, inclusiv căldura reziduală produsă de centralele locale de cogenerare.
Într-adevăr, cu cât este mai mare o reţea de căldură, cu atât sunt mai multe sursele de unde poate primi energie: centralele de cogenerare, tunelurile de metrou, canalizări şi chiar centre de date. “Unul dintre avantajele cheie ale încălzirii districtuale este că aceasta este adaptabilă la o mare varietate de surse de energie”, spune Chris Baber, care este parte a proiectului din Vancouver. Un proiect din New Hampshire începe chiar să recicleze căldura datorată procesului de descompunere din depozitele sale de deşeuri.
Alte oraşe încep şi ele să experimenteze cu potenţialul de răcire al pompelor de căldură. Oraşul finlandez Helsinki foloseşte căldura reziduală pentru funcţionarea sistemelor de refrigerare prin absorbţie. Aceste dispozitive pot fi reprezentate ca versiuni mai complexe ale pompelor de căldură, dar ideea de bază este aceeaşi; atunci când fluidul curge prin zone fierbinţi, refrigerentul din el absoarbe căldura. Rezultatul este că mecanismul poate fi folosit pentru răcirea unor cartiere întregi, absorbind căldura din clădiri şi transmiţând-o apelor uzate purificate.
Danemarca, Suedia şi Finlanda sunt liderii lumii în ceea ce priveşte folosirea tehnologiei pompelor de căldură pentru reciclarea căldurii reziduale. Helsinki, în particular, a câştigat premii pentru sistemul său de încălzire şi răcire pe scară largă, care prezintă 1200 de kilometri de conducte de încălzire subterane, care conectează 93 la sută dintre spaţiile încălzite ale oraşului.
Rămâne de văzut dacă această revoluţie energetică va prinde şi în altă parte. Instalarea infrastructurii necesare va necesita o finanţare şi o voinţă politică extreme. Un raport al Departamentului pentru Energie şi Schimbări Climatice al Marii Britanii prezenta faptul că, în timp ce jumătate din producţia de căldură din Anglia este prezentă în zone în care reţelele de căldură sunt viabile din punct de vedere economic, numai 172.000 de locuinţe sunt în prezent conectate.
Costul pompelor de căldură înseamnă şi că în unele ţări energia pe care ele o produc este mai scumpă, chiar dacă ele folosesc mai puţină energie, per total, decât centralele pentru încălzire. “Totul se rezumă la costul energiei”, spune Jeff Snyder, fizician la California Institute of Technology. Mulţumită dezvoltării exploatărilor de gaz de şist în Canada, căldura de canalizare din Vancouver este cu 10 procente mai scumpă decât căldura produsă de gazele naturale. Acestea fiind spuse, spre deosebire de pieţele de energie fluctuante, costurile pompelor pe energie geotermală vor rămâne fixe de-a lungul timpului. “Pe măsură ce preţul energiei va creşte, vei vedea din ce în mai multe astfel de lucruri”, spune Snyder.
Totuşi, există un motiv mult mai important pentru a lua în serios reţelele de căldură urbane: schimbările climatice. Până la urmă, căldura reziduală nu dispare pur şi simplu dacă noi nu o reciclăm. Concentrată în oraşe şi radiată în atmosferă sub forma unor porţii mici şi dense, aceasta are ca efect modificarea curenţilor de aer, producând creşterea temperaturilor din timpul iernii, pe o suprafaţă întinsă din America de Nord şi nordul Eurasiei cu aproape 1 grad Celsius. Acest efect nou descoperit are ca rezultat exacerbarea efectului de seră deja cunoscut şi a efectului insulei de căldură din jurul oraşelor.
Producţia de căldură este responsabilă pentru o treime din totalitatea emisiilor de carbon din Marea Britanie, deci reducerea cantităţii globale de energie de care avem nevoie pentru utilizare ar putea chiar reduce emisiile de gaze cu efect de seră. Într-adevăr, ele ar putea duce la un fel de cerc virtuos. “Pompele de căldură devin din ce în ce mai eficiente din punct de vedere al carbonului pentru că ele folosesc electricitate produsă cu emisii reduse de carbon pentru a deplasa gazul”, spune Hill. Pe măsură ce noi producem o energie electrică din ce în ce mai curată, pompele de căldură vor deveni neutre din punct de vedere al emisiilor de carbon.
Folosirea pompelor de căldură, care are ca sursă oraşul, pentru reciclarea căldurii noastre reziduale în reţele de dimensiunea unui oraş ar putea ajuta la reducerea impactului tuturor celor trei vinovaţi pentru schimbările climatice. Aceasta ar fi, cu adevărat, o revoluţie energetică.
Folosirea vârtejurilor de aer
Căldura reziduală reprezintă bani, dar noi ne-am luptat mult timp până a ajunge să ne folosim de ea. Căldura reziduală provenind de la centralele electrice, de exemplu, nu este potrivită pentru a putea fi reciclată sub formă de electricitate. În schimb, noi pur şi simplu scăpăm de ea, folosind turnuri de răcire pentru a o elimina în atmosferă.
Cum ar fi dacă aceste turnuri ar putea fi modificate pentru a genera electricitate de pe urma căldurii pe care ele o trimit în aer? Ar putea funcţiona, dacă turnurile ar fi îndeajuns de înalte. Apoi am putea beneficia de efectul de convecţie: atunci când căldura reziduală urcă prin coş, diferenţa majoră de temperaturi, dintre aerul rece de la vârf şi aerul cald de jos, creează un val de aer îndeajuns de puternic pentru pornirea unei turbine aflate pe pământ.
Variaţii ale acestei idei sunt deja folosite în altă parte. China a construit un coş imens care colectează căldura solară din deşerturile Mongoliei Interioare; Spania şi Arizona au construit şi ele prototipuri.
Există, totuşi, o problemă. Coşurile extrem de înalte sunt nepractice. Atunci când Eckhard Groll de la Universitatea Purdue din Indiana, West Lafayette, a evaluat mai multe proiecte, el a descoperit că, pentru a produce chiar şi numai o fracţiune din energia produsă de o centrală electrică pe bază de cărbune tipică, ar fi nevoie de un coş cu o înălţime de 850 de metri, mai înalt decât cea mai înaltă clădire din lume. “Costul de capital ar fi enorm”, spune el.
În urmă cu 12 ani, Louis Michaud, inginer industrial în Sarnia, Ontario, Canada, a avut o idee mai bună. Dacă el ar fi putut construi o maşinărie care creează un vortex auto-susţinut – o tornadă – acesta ar putea conduce întreaga cantitate de căldură reziduală, tocmai până la nivelul troposferei şi, totuşi, să rămână stabil, datorită propriilor sale forţe centripete. Ideea sa a ridicat multe sprâncene, dar puţin interes.
Recent, totuşi, ideea a câştigat mult în popularitate. Fundaţia Thiel i-a oferit 350.000 de dolari lui Michaud pentru construirea unui prototip. Dintr-un coş mult mai practic, de doar 50 de metri, spune Michaud, el va crea o tornada de 15 kilometri, care poate genera 200 de megawaţi. “Are potenţialul de a produce toată energia de care avem nevoie”, spune el.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Smart heat nets fire the next energy revolution, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Huţupanu
