Spillvarme fra industrien kan varme alle hus i Norge

I Norge sløser vi bort gigantiske mengder energi. Overskuddsvarmen fra industrien blir nesten ikke utnyttet.

Folk ved NTNU har sett på muligheten for å gjøre noe med saken.

– Overskuddsvarme fra industrielle prosesser er en enorm ressurs, sier Kim Kristiansen.

Han har nettopp tatt doktorgraden på en teknologi som kan ta vare på noe av spillvarmen som i dag rett og slett sløses vekk. Omtrent all varme som industrielle prosesser fører med seg, slippes i dag rett ut i lufta eller havet.

Og det er altså ikke små mengder det er snakk om. Bare i Norge produserer industrien rundt 20 TWh med spillvarme hvert eneste år.

Det tallet sier deg kanskje ikke så mye, men ifølge Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) tilsvarer dette energi tilsvarende halvparten av strømforbruket til alle landets husstander til sammen. Omtrent hele oppvarmingsbehovet.

Kristiansen er en del av faggruppen i termodynamikk ved PoreLab/Institutt for kjemi. I de aktuelle arbeidene er veileder Signe Kjelstrup og faggruppeleder Øivind Wilhelmsen medforfattere av artiklene.

Teknologien har også en annen effekt som det kanskje ikke er så nøye med i Norge, men som kan være svært viktig i land med lite drikkevann.

– Teknologien kan ikke bare gjenvinne energien i spillvarme. Samtidig kan den rense vannet fra industrien, sier Kristiansen.

Flere steder i verden er drikkevann en stadig knappere ressurs.

– Ifølge UNICEF opplever allerede fire milliarder mennesker alvorlig mangel på drikkevann i minst én måned hvert år, og det er et svært behov for teknologi som kan møte disse utfordringene, sier Kristiansen.

Knapphet på drikkevann er altså et problem for rundt halvparten av jordas åtte milliarder mennesker.

Så hva går den nye teknologien ut på?

– Spillvannet fra industrien er ofte urent. Om vi lar dette urene vannet fordampe gjennom små porer i en vannavstøtende membran, kan vi drikke det kondenserte vannet som kommer ut på den andre siden, sier Kristiansen.

Denne metoden egner seg best til å rense vann med såkalt ikke-flyktige urenheter, som for eksempel salt. Dette i motsetning til alkoholer og en del andre organiske stoffer som kan fordampe sammen med vannet gjennom membranen

– Det definitivt største bruksområdet for denne teknologien er nok derfor avsalting av saltvann. Rensing av prosessvann er ikke utelukket, men innebærer ekstra utfordringer avhengig av innhold, sier Kristiansen.

Da har vi altså drikkevann. Men hva med det å utnytte energien?

Når vannet blir tilført varme på den ene siden av membranen, fordamper det og avgir varme på den andre siden ved kondensasjon. Da kan det oppstå en trykkforskjell mellom de to sidene av membranen

– Temperaturforskjellen brukes til å pumpe vannet opp, og trykkforskjellen representerer mekanisk energi som kan brukes til å drive en turbin, forklarer Kristiansen. Fenomenet kalles termisk osmose.

Tilsynelatende enkelt, altså. Men genialt.

– Vi har undersøkt vekselvirkningene mellom vannet og porene i membranen, og hva som skjer når vannet fordamper, transporteres gjennom porene, og kondenseres, sier Kristiansen om doktorgradsarbeidet.

Han har utformet teorier rundt membranenes egenskaper og virkningen dette har på hele prosessen. I laboratorieforsøk har han også målt effekten systematisk.

Konklusjonen er at teknologien har et stort potensial. Om vi skreddersyr membraner, kan vi med videre arbeid bidra til å møte både de økende utfordringene med behov for energieffektivisering, og mangel på rent drikkevann, sier Kristiansen.

Kristin Syverud ved forskningsinstituttet RISE PFI er interessert i å forbedre membranene til denne teknologien, sier Kristiansens veileder Signe Kjelstrup.

– Utgangspunktet for arbeidet var en ide som TNO i Nederland må krediteres for, sier Kjelstrup.

Spillvarme. Bildet viser professor emerita Signe Kjelstrup.
Signe Kjelstrup. Foto: NTNU
Hun er professor emerita og tidligere sjefsforsker ved senter for fremragende forskning, PoreLab. TNO er et uavhengig institutt som jobber for å overføre forskning til praktisk bruk.

TNO prøvde ut konseptet, kalt «MemPower» (simultan produksjon av vann og kraft). Prototypen ble laget der. Forskerne ønsket å samarbeide, men hadde ingen finansiering. Løsningen ble å ta prosjektet videre som åpen forskning ved NTNU.

– Jeg ble kontaktet på TU Delft av Leen van der Ham, og tok ideen med til gruppa jeg da hadde på Institutt for kjemi, og senere i PoreLab, sier Kjelstrup.

Van der Ham tok doktorgraden i kjemi ved NTNU for noen år siden. Dette viser hvor viktig det er å ha kontakter. En tid samarbeidet de med Luuk Keulen, student ved TU Delft. Kristiansen og Michael Rauter fra PoreLab førte arbeidet videre.

– Industrien viser interesse for konseptet membrandestillasjon, men så langt er det kun noen få pilotanlegg på verdensbasis, sier Kristiansen.

Hovedårsaken til at industrien henger etter akademia er knyttet til praktiske utfordringer med membranteknologien, forklarer han. Det gjelder for eksempel levetid på membraner under tøffe industrielle forhold.

– Det pågår mye arbeid både i akademia og i industrien internasjonalt for å møte disse utfordringene og kommersialisere teknologien, sier Kristiansen.

MemPower-konseptet innebærer å omgjøre spillvarme til mekanisk energi på bakgrunn av  en temperaturforskjell.

– Mitt inntrykk er at denne muligheten ikke har nådd helt ut til industrien ennå, sier Kristiansen.

En av konklusjonene i den siste artikkelen er at potensialet for energiproduksjon er konkurransedyktig mot mer etablerte membranbaserte energiprosesser. Dette kan bidra til å øke interessen for dette i industrien, mener han.

Referanse: Kristiansen, Kim and Wilhelmsen, Oivind and Kjelstrup, Signe, Thermo-Osmotic Coefficients in Membrane Distillation experiments and Theory for Three Types of Membranes. Desalination, Volume 586, 2024, 117785, ISSN 0011-9164, https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117785