Poszukiwacze niechcianego ciepła

W duńskim mieście Odense dobiega końca budowa stawianego przez Facebook wielkiego centrum informatycznego. Zlokalizowane tam komputery i banki danych będą się oczywiście grzały na potęgę, ale tym razem większość tego ciepła, które zazwyczaj traktuje się jak kłopotliwy odpad, zostanie wychwycona i wykorzystana. Trafi bowiem do sieci centralnego ogrzewania w Odense i popłynie do blisko 7 tys. mieszkań. Takie ciepło, powstające podczas rozmaitych procesów produkcyjnych i technologicznych, jest wszędzie wokół nas. Kiedy uruchamiamy silnik samochodowy, komputer, generator prądu, cokolwiek, co wykonuje pracę – wtedy pojawia się też ciepło. Zazwyczaj takie ciepło, zwane fachowo odpadowym, zostaje odprowadzone do atmosfery. Innymi słowy: marnuje się bezpowrotnie. Inaczej będzie w Odense Data Center. Rocznie odzyskiwać się tam będzie ok. 100 GWh energii cieplnej oddawanej przez sprzęt komputerowy. Przestanie ona być odpadem, a zmieni się w źródło dodatkowego dochodu dla Facebooka.

W szczegółach wygląda to następująco: ciepłe powietrze ogrzane przez serwery zostanie przepuszczone przez wymienniki ciepła, których głównym elementem są wężownice wypełnione wodą. Ogrzana woda popłynie potem do pomp ciepła wspomaganych dodatkowo przez turbiny wiatrowe. Za sprawą energii wiatrowej woda zostanie jeszcze trochę podgrzana, a gdy jej temperatura stanie się odpowiednio wysoka, powędruje do miejskiej sieci centralnego ogrzewania. Facebook podpisał już odpowiednią umowę z zarządcą sieci.

Pierwszy był Edison

Oczywiście nie od dziś ludzie próbują odzyskiwać ciepło powstające podczas produkcji energii elektrycznej. Kiedy w 1882 r. Thomas Edison uruchomił na Manhattanie pierwszą komercyjną elektrownię, wówczas pochodzącą z niej gorącą parę wodną sprzedawał mieszkańcom okolicznych budynków, by mogli nią ogrzewać mieszkania. Nie chciał patrzeć, jak dolary ulatniają mu się do atmosfery. Taka łączna produkcja prądu i ciepła, zwana kogeneracją, może być bardzo efektywna. Podczas gdy konwencjonalna elektrownia węglowa ma sprawność rzędu 35–40%, to nowoczesna elektrociepłownia, w której odzyskuje się zarówno prąd, jak i ciepło, osiąga sprawność od 60% do nawet 80%. Dziś jednak naukowcy rozglądają się także za innymi niż elektrownie źródłami ciepła odpadowego. Może nie tak wydajnymi, ale za to bardzo rozpowszechnionymi.

Duńczycy są pod tym względem prawdziwymi mistrzami, choć niektóre ich pomysły mogą się wydać kontrowersyjne. Na przykład kilka lat temu w krematorium w mieście Aalborg ustawili instalację do odzyskiwania ciepła odpadowego powstającego podczas kremacji zwłok (wcześniej Duńska Rada Etyki pozytywnie oceniła tę inicjatywę). Ciepło to jest oczywiście odsprzedawane i w tej chwili ogrzewa ok. 30 domów jednorodzinnych. Jedna kremacja, jak skrzętnie obliczyli Duńczycy, generuje ok. 250 kWh energii, a ponieważ w Aalborg takich spopieleń odbywa się rocznie kilka tysięcy, ciepła nie brakuje.

Również w Danii eksperymentuje się z odzyskiwaniem ciepła z systemów chłodzących zlokalizowanych w supermarketach. Na celowniku „poszukiwaczy niechcianego ciepła” znalazły się także agregaty chłodnicze znajdujące się w szpitalach. Z kolei jedna z duńskich papierni podpisała niedawno z lokalnym dystrybutorem centralnego ogrzewania umowę na odbiór nadwyżek ciepła wykorzystanego wcześniej do suszenia papieru. Do tej pory całe to gorące powietrze wędrowało do atmosfery. Teraz trafia do pomp ciepła, a następnie do domów mieszkalnych.

Jednak nie tylko Duńczycy szukają ciepła w nietypowych miejscach. W londyńskiej dzielnicy Islington znaleziono je w metrze. O dziwo, kolej podziemna wytwarza sporo takiego ciepła odpadowego, które w większości zostaje pochłonięte przez ściany tuneli, a resztę usuwają wentylatory. Jego głównym źródłem nie są jednak pasażerowie, ale sama kolej. Pomysł naukowców polega na tym, żeby ciepło, usuwane obecnie z tuneli za pośrednictwem systemów wentylacyjnych, przejąć i zaprząc do ogrzewania domów. Pierwsze instalacje już uruchomiono. Docelowo mają objąć około tysiąca budynków. Projekt nazywa się, nomen omen, Celsius.

Przenieśmy się z Anglii do Niemiec. W Kolonii niektóre szkoły korzystają od niedawna z ciepła pochodzącego z miejskiej oczyszczalni ścieków. Energia nie śmierdzi, można powiedzieć. Niemcy próbują również sięgnąć po ciepło generowane przez stacje pośredniczące w przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości (przekształcają prąd przemienny w stały i odwrotnie). W tej chwili takie stacje są schładzane za pomocą wentylatorów, ale zamiast tego mogłyby swoim ciepłem podzielić się z domami mieszkalnymi. Pierwszy taki transfer powinien ruszyć w przyszłym roku. W Holandii ciepło odpadowe pozyskane z portu w Rotterdamie ma docelowo ogrzać 13 tys. mieszkań i 200 biurowców w okolicy miasta Lejda.

Rozgrzane komputery

Jednakże szczególnie dużym zainteresowaniem odzyskiwaczy ciepła cieszą się ostatnio centra danych. Pączkują one na całym świecie w miarę powiększania się zasobów informacji, którymi trzeba zarządzać, przechowywać je i rozpowszechniać. A wzrost ten jest błyskawiczny. Wystarczy popatrzeć, jak wielką popularnością cieszy się usługa magazynowania danych w chmurze. Te centra z całą ich skomplikowaną zawartością techniczną – serwerami, dyskami, okablowaniem, klimatyzacją i wentylacją, awaryjnymi systemami podtrzymywania napięcia oraz systemami bezpieczeństwa – stały się wielkimi pożeraczami energii. I niemal połowa tego prądu jest zużywana do schładzania pracującej non stop elektroniki. Z tym wiąże się olbrzymia produkcja ciepła odpadowego.

Wielu naukowców zastanawia się dziś nad tym, jak tanio i efektywnie sięgnąć po tę energię. Główne wyzwanie polega na tym, że nawet największa serwerownia, podobnie zresztą jak tunel metra czy oczyszczalnia ścieków, to nie elektrownia konwencjonalna, w której temperatury ciepła odpadowego sięgają kilkuset stopni Celsjusza. Komputer, jak wiemy, aż tak się nie rozgrzewa, bo inaczej by nas parzył. W takich przypadkach, gdy temperatury nie przekraczają 100˚C, badacze mówią o cieple odpadowym niskiej jakości, bo znacznie trudniej jest je wykorzystać w opłacalny sposób. Mimo to podejmuje się próby sięgnięcia po nie, a przykład z Odense pokazuje, że można to robić na naprawdę dużą skalę.

Są też inne przykłady. W Szwajcarii inny gigant informatyczny, IBM, ciepłem ze swojego centrum danych dogrzewa pobliski basen. Francuska firma telekomunikacyjna Telecity oddaje zbędne ciepło do szklanego pawilonu, w którym ulokowano arboretum służące naukowcom do prowadzenia badań nad reakcją krzewów i drzew z całego świata na wyższe temperatury, jakie mają zapanować na świecie w 2050 r. W jednym z miast w Kanadzie ciepło z centrum danych ogrzewa znajdującą się po sąsiedzku redakcję lokalnej gazety. W fińskim mieście Mäntsälä, położonym 50 km od Helsinek, ciepło odpadowe z wielkiej serwerowni pomaga w ogrzaniu 1500 mieszkań. Podobnie jest w miasteczku Val’dEurope pod Paryżem, gdzie beneficjentami są aquapark i osiedle biznesowe.

Na intrygujący pomysł wpadł francuski komputerowiec Paul Benoit. Buduje on niewielkie serwery, które umieszcza w prywatnych domach. W staromodnej oprawie przypominają stylowe szafki ścienne. Jednak wewnątrz tych serwerów znajduje się zaprojektowany przez naukowca promiennik ciepła odpadowego generowanego podczas pracy maszyny obliczeniowej. W ten sposób serwer ogrzewa przestrzeń wokół siebie. Miejsce na serwerach Benoit udostępnia rozmaitym firmom komercyjnym, które go potrzebują – oczywiście za pośrednictwem internetu i odpłatnie. W ten sposób naukowiec (dokładnie rzecz biorąc, założony przez niego start-up Qarnot Computing) stworzył rodzaj zdecentralizowanego centrum danych, składającego się już z ponad setki serwerów. Właściciele mieszkań lub pomieszczeń, w których pracują serwery poustawiane przez Benoita, odnoszą korzyść, płacąc niższe rachunki za ogrzewanie (pomysłodawca płaci za prąd zużyty przez serwery).

Prąd z ciepła

Jeszcze bardziej niezwykły pomysł zaproponowali badacze z Idaho National Labs i University of Colorado. Wymyślili, że będą pozyskiwali ciepło odpadowe za pomocą zestawów miniaturowych anten odbierających promieniowanie podczerwone (termiczne) i przetwarzających je w energię elektryczną. Rzecz całą opatentowali, a następnie założyli start-up RedWave Energy, który ostatnio dostał od amerykańskiego Departamentu Energii ponad 3,5 mln dol. na dalsze próby. Wyniki swoich eksperymentów naukowcy na razie trzymają w tajemnicy, ale ogólna idea jest następująca: promieniowanie termiczne docierające do mikroanteny wzbudza elektrony na jej powierzchni. Ich ruch zostaje ukierunkowany i wyprostowany, dzięki czemu staje się prądem stałym. Zwróćmy uwagę, że w tym przypadku ciepło odpadowe zostaje wykorzystane nie do ogrzewania, lecz w bardziej uniwersalny sposób – do wytworzenia anergii elektrycznej.

Takich pomysłów jest więcej. Przenieśmy się na chwilę na Marsa, po którym od sześciu lat porusza się łazik Curiosity. Pojazd waży niemal tonę, ma 3 m długości i dźwiga na sobie dziesięć ciężkich instrumentów badawczych, w tym działko laserowe zespolone ze spektrometrem, potrafiące na odległość przeprowadzać analizy składu chemicznego skał. Na jego wyposażeniu znajduje się też wysięgnik z kamerą pokazującą glob z perspektywy ludzkich oczu, niczym w Google Street View. Jest też wiertło do drążenia dziur w marsjańskiej glebie oraz potężne ramię zbierające próbki gleby i skał. Jednej rzeczy Curiosity jednak nie ma – ogniw słonecznych, które wprawiałyby go w ruch i dostarczały prądu całej przewożonej aparaturze. Skąd zatem czerpie energię? Źródłem prądu jest nuklearny generator termoelektryczny. W jego wnętrzu znajduje się prawie 5 kg promieniotwórczego plutonu Pu-238, uwalniającego ciepło podczas rozpadu. Podgrzewa ono czułą aparaturę pomiarową, która inaczej zamarzłaby na zimnym globie. Wszak średnia temperatura na Marsie wynosi –60°C. Ale część tego ciepła jest też zamieniana na prąd – dzięki zjawisku odkrytemu prawie dwa wieki temu.

Cofnijmy się o dwa stulecia. W latach 20. XIX w. niemiecki uczony Thomas Johann Seebeck złączył ze sobą dwa druciki wykonane z różnych metali. Jedno ze złączy ogrzewał, a drugie ochładzał. Nieoczekiwanie igła położonej obok busoli wychyliła się, a Seebeck doszedł do wniosku, że stworzył nowy rodzaj magnesu. Później okazało się jednak, że w obwodzie popłynął prąd elektryczny. Dzięki różnicy temperatur! Tak odkryto zjawisko termoelektryczności, które zostało teraz wykorzystane przez twórców generatora znajdującego się na Curiosity. Podczas gdy jedno ze złączy jest podgrzewane przez pluton, drugie ma taką temperaturę, jaka panuje na Marsie. Z tej różnicy powstaje prąd napędzający wehikuł i wszystkie znajdujące się na nim urządzenia. Plutonu wystarczy co najmniej na 14 lat, więc Curiosity, którego misję początkowo zaplanowano na 23 miesiące, może jeszcze długo wysyłać dane na Ziemię.

Zjawiskiem termoelektryczności długo się nie interesowano. Wróciliśmy do niego, gdy uświadomiliśmy sobie, że zasoby surowców paliwowych wcześniej czy później się wyczerpią, więc dobrze by było zacząć oszczędzać energię. Agencje kosmiczne pierwsze sięgnęły po termiczne generatory prądu – nie po to jednak, żeby oszczędzać energię, lecz by w ogóle ją uzyskać. Urządzenia umieszczono na dziesiątkach satelitów i sond. To dzięki nim Voyagery, wystrzelone w 1977 r. i zmierzające ku krańcom Układu Słonecznego, wciąż nadają komunikaty na Ziemię. Termoelektryczne zasilanie miały międzyplanetarne sondy Galileo i Cassini, marsjańskie próbniki Viking, oraz instrumenty pomiarowe ustawione na Księżycu przez misje Apollo. Równie chętnie korzystali z tego patentu Rosjanie.

Z kosmosu na Ziemię

Źródłem ciepła mogą być także… gazy wylatujące z rury wydechowej. Energia powstająca w silniku samochodowym w wyniku spalania paliwa jest w dwóch trzecich marnowana – ucieka jako ciepło. Straty rozkładają się mniej więcej po równo na silnik i spaliny. Gdyby choć część tych zasobów wykorzystać ponownie do wyprodukowania prądu, wówczas można by nim zasilić urządzenia elektryczne w samochodzie i w ten sposób ograniczyć zużycie paliwa.

Już dwie dekady temu do takiego wniosku doszli inżynierowie z Porsche, a potem ich koledzy z BMW, Nissana i General Motors. Próbowali, testowali, ale wciąż brakowało najważniejszego: odpowiednich materiałów przewodzących, z których można by zbudować termoelektryczny generator. Rychło jednak się okazało, że niełatwo uzyskać odpowiedni materiał. Musi on bowiem sprostać różnicy temperatur rzędu kilkuset stopni (spaliny mają 600–700°C), a poza tym powinien być lekki, wytrzymały, nietoksyczny, no i względnie tani. Skąd taki wziąć? Koncerny samochodowe zwróciły się do kreatywnych chemików. Nad materiałami, które z rozgrzanych spalin uczyniłyby źródło prądu, pracuje na świecie kilka zespołów naukowych. Celem jest opracowanie termoelektrycznych syntetyków osiągających sprawność rzędu co najmniej 20% (dziś jest cztery razy mniejsza). Wówczas alternator stałby się zbędnym elementem samochodu. Prąd zasilający systemy i urządzenia elektryczne pojazdu powstawałby w całości dzięki wykorzystaniu zjawiska Seebecka. W skali globu oszczędności paliwa byłyby olbrzymie. Wyobraźmy sobie teraz, że we wszystkich elektrowniach na świecie stawiamy takie generatory termoelektryczne. Nagle okazałoby się, że energii mamy w bród, a emisja gazów cieplarnianych maleje o jedną czwartą. A przecież są jeszcze huty, rafinerie, cementownie, a także grzejące się komputery i telefony komórkowe. Te ostatnie już dziś można naładować przy pomocy małych termoelektrycznych generatorów pobierających energię np. z ogniska roznieconego podczas biwaku.

Na dodatek termoelektryczność to niejedyne zjawisko, które można wykorzystać do przerabiania ciepła odpadowego w prąd. Innym jest piroelektryczność. W tym przypadku do wygenerowania przepływu prądu nie potrzeba dwóch materiałów o odmiennej temperaturze. Wystarczy podgrzać cały materiał, aby pojawił się ładunek elektryczny. Kilka miesięcy temu naukowcy z University of California w Berkeley zaprezentowali w „Nature Materials” cienkowarstwowe (o grubości zaledwie 100 nm) ogniwo piroelektryczne aktywujące się nawet przy niedużych ilościach ciepła i potrafiące z dużą wydajnością przekonwertować energię termiczną w elektryczną. Na razie jest to zabawka laboratoryjna, ale natychmiast po zaprezentowaniu wyników do ich autorów ustawiła się kolejka inwestorów zainteresowanych innowacją.

Wokół nas marnuje się mnóstwo ciepła wytwarzanego podczas produkcji, przesyłania i zużywania prądu. I choć pół wieku temu nikt się tym specjalnie nie przejmował, dziś jest inaczej. Na marnotrawstwo nie stać nikogo, więc każda poważna propozycja wyciśnięcia dodatkowych porcji energii z naszych paliw czy też urządzeń wzbudza zainteresowanie.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”