Passief koelsysteem: warmte afvoeren zonder stroom te verbruiken
Een passief koelsysteem is een manier om warmte af te voeren zonder dat daar een compressor, ventilator, pomp of ander stroomvretend onderdeel bij hoort. Waar een gewone airco lucht rondblaast en een koelmiddel actief samenpert om warmte te verplaatsen, gebruikt passieve koeling natuurkundige processen die vanzelf gebeuren: warmte die uitstraalt, lucht die vanzelf opstijgt, of een oppervlak dat zonlicht gewoon terugkaatst in plaats van opwarmt.
Een simpele analogie: denk aan een wit overhemd op een zonnige dag. Het weerkaatst veel licht en warmt daardoor minder op dan een zwart overhemd, zonder dat er iets voor nodig is behalve de juiste kleur stof. Passieve koelsystemen doen in feite hetzelfde, maar dan preciezer ontworpen en toegepast op daken, computerchips of hele datacenters: ze zijn zo gebouwd of gecoat dat warmte er vanzelf weer uit verdwijnt.
Wat is het precies?
Het woord "passief" staat hier tegenover "actief". Actieve koeling gebruikt elektriciteit om warmte te verplaatsen, zoals in een koelkast of airco. Passieve koeling maakt gebruik van fysische processen die vanzelf optreden zodra er een temperatuurverschil is, zonder dat er extra energie ingestopt moet worden.
De belangrijkste techniek is radiatieve koeling, ook wel stralingskoeling genoemd. Elk warm object zendt infraroodstraling uit, dat is onzichtbare warmtestraling. Normaal gesproken wordt die straling grotendeels opgevangen door waterdamp en kooldioxide in de atmosfeer en weer teruggestuurd naar de aarde. Maar er is een smal frequentiegebied, het atmosferisch venster genoemd, waar infraroodstraling vrijwel ongehinderd door de dampkring heen kan ontsnappen naar de koude ruimte, die een temperatuur van bijna het absolute nulpunt heeft. Materialen die speciaal zijn ontworpen om vooral in dat venster te stralen, kunnen daardoor warmte kwijtraken aan de ruimte zelf, zelfs overdag in de volle zon.
Dat overdag-effect is minder vanzelfsprekend dan het lijkt: zonlicht warmt normaal elk oppervlak op. Daarom wordt radiatieve koeling altijd gecombineerd met een hoge albedo, dat is de mate waarin een oppervlak licht terugkaatst in plaats van absorbeert. Een oppervlak dat bijna al het zonlicht weerkaatst én efficiënt infrarood uitstraalt, kan onder de omgevingstemperatuur uitkomen zonder ooit stroom te gebruiken.
Een tweede techniek is natuurlijke convectie: warme lucht is lichter dan koude lucht en stijgt vanzelf op. Slim ontworpen luchtschachten of dakconstructies gebruiken dat principe om warme lucht een gebouw of apparaat te laten verlaten zonder ventilator.
Free cooling is een derde vorm, veel gebruikt in datacenters: in plaats van servers met mechanische koelmachines te koelen, wordt gewoon koude buitenlucht of koud oppervlaktewater door het gebouw of langs de apparatuur geleid, zolang de buitentemperatuur laag genoeg is.
Op kleinere schaal, in elektronica, wordt vaak gebruikgemaakt van heatpipes: afgesloten metalen buisjes met een kleine hoeveelheid vloeistof erin, die verdampt bij de warme kant (bijvoorbeeld een processor) en weer condenseert bij de koude kant, waarna de vloeistof via capillaire werking terugstroomt. Er zit geen pomp of motor in, alleen het faseovergangsproces van vloeistof naar damp en terug, vandaar dat dit soms ook wel een fase-overgangsmateriaal wordt genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is energiebesparing. Koeling is wereldwijd een van de snelst groeiende posten in het elektriciteitsverbruik, mede door de opkomst van datacenters vol met krachtige AI-chips die enorme hoeveelheden warmte produceren. Elke watt aan koelvermogen die passief geleverd kan worden, is een watt die niet via een compressor uit het stroomnet hoeft te komen, wat direct CO2-uitstoot en kosten scheelt.
Een tweede doel is betrouwbaarheid. Systemen zonder bewegende delen kunnen minder snel mechanisch defect raken en hebben minder onderhoud nodig, wat vooral aantrekkelijk is op afgelegen plekken of in landen met een onstabiel elektriciteitsnet.
Daarnaast speelt toegankelijkheid een rol: passieve koeling kan in principe functioneren op plekken zonder betrouwbare stroomvoorziening, bijvoorbeeld voor voedselopslag in ontwikkelingslanden of voor gebouwen die volledig energieneutraal moeten zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Een belangrijke wetenschappelijke doorbraak kwam in 2014, toen onderzoekers Aaswath Raman, Linxiao Zhu, Eden Rephaeli, Marc Abou Anoma en Shanhui Fan van Stanford University in het tijdschrift Nature een artikel publiceerden waarin ze een oppervlak beschreven dat overdag, in volle zon, kouder werd dan de omringende lucht. Dat was opmerkelijk, omdat radiatieve koeling voorheen vooral 's nachts werkte, wanneer er geen zoninstraling is om tegen te compenseren.
Uit dat onderzoek is het bedrijf SkyCool Systems voortgekomen, mede opgericht door Raman. Het bedrijf ontwikkelt panelen die op daken worden geplaatst en die via radiatieve koeling warmte afvoeren, waardoor bestaande airconditioning- en koelinstallaties minder hard hoeven te werken. Vanaf ongeveer 2019 liepen er pilotprojecten, onder meer bij supermarkten in Californië, waar de panelen de koelinstallaties voor verse producten ondersteunden.
Onderzoekers van Purdue University, onder leiding van Xiulin Ruan, ontwikkelden rond 2020-2021 een extreem witte verf die meer dan 98 procent van het zonlicht reflecteert. De verf werd in de media aangeduid als een van de witste ooit gemeten en kreeg aandacht als mogelijke coating voor daken, die daardoor passief koeler zouden blijven dan met gewone witte verf.
Op een heel andere schaal experimenteerde Microsoft met Project Natick: in 2018 werd een datacentercapsule op de zeebodem bij de Orkney-eilanden in Schotland geplaatst, die in 2020 weer werd opgehaald. De capsule gebruikte het koude zeewater als natuurlijke warmteafvoer via warmtewisselaars, waardoor er veel minder energie nodig was voor koeling dan bij een traditioneel datacenter met mechanische koelmachines.
Ook grote techbedrijven zetten al langer in op koeling met natuurlijke bronnen: Facebook (nu Meta) bouwde in 2013 een datacenter in Luleå, Zweden, dat grotendeels gebruikmaakt van koude Scandinavische buitenlucht, en Google exploiteert sinds 2011 een datacenter in Hamina, Finland, dat koud zeewater uit de Golf van Finland gebruikt om te koelen.
In de bouwwereld bestaat het Passivhaus-concept, ontwikkeld door het Passivhaus Institut in Darmstadt, Duitsland, opgericht door Wolfgang Feist in 1996. Passivhaus-gebouwen leunen sterk op passieve strategieën zoals isolatie, oriëntatie ten opzichte van de zon, zonwering en natuurlijke ventilatie om zowel verwarming als koeling tot een minimum te beperken.
Hoe ver is de techniek?
De verschillende vormen van passieve koeling staan op heel verschillend niveau. Free cooling met buitenlucht of koud water is al decennialang bewezen technologie en wordt op grote schaal toegepast door grote datacenterbeheerders, vooral in landen met een koud klimaat. Heatpipes zijn eveneens een volwassen, wijdverbreide technologie die in laptops, telefoons en andere elektronica standaard wordt gebruikt.
Radiatieve koelpanelen en -verven zoals die van SkyCool Systems en het Purdue-onderzoek zijn daarentegen nog relatief jong en beperkt opgeschaald. Ze werken het best in droge, onbewolkte klimaten, omdat waterdamp en wolken een deel van het atmosferisch venster afsluiten en zo de warmteafvoer naar de ruimte verminderen. In vochtige of bewolkte gebieden valt het effect merkbaar tegen.
Andere praktische obstakels zijn de kosten en duurzaamheid van de speciale coatings, vervuiling van oppervlakken door stof en regenwater die de reflectie- en stralingseigenschappen na verloop van tijd kunnen verminderen, en de vraag hoe goed deze systemen opschalen naar de omvang die nodig is om een merkbaar deel van de koelvraag van een groot datacenter of gebouw op te vangen. Op dit moment worden radiatieve systemen vooral gezien als aanvulling op, niet als vervanging van, bestaande actieve koeling.
Wie werken eraan?
Op wetenschappelijk vlak zijn Stanford University en Purdue University in de Verenigde Staten toonaangevend geweest in het materiaalonderzoek naar radiatieve koeling. Daarnaast lopen er in de Verenigde Staten en China diverse onderzoeksgroepen die werken aan nieuwe coatings en oppervlaktematerialen voor dit doel.
Op commercieel vlak is SkyCool Systems een van de weinige bedrijven die radiatieve koelpanelen daadwerkelijk in de praktijk test en verkoopt. Grote techbedrijven met omvangrijke datacenterparken, zoals Google, Microsoft en Meta, passen op hun beurt al langer vormen van natuurlijke of free cooling toe in hun eigen faciliteiten, vooral in koude klimaten zoals Scandinavië.
In de bouwsector is het Passivhaus Institut in Duitsland de belangrijkste kennisinstantie voor passieve ontwerpprincipes die koeling en verwarming van gebouwen minimaliseren, met navolging in andere Europese landen, waaronder Nederland.