A medida que el planeta se calienta, los investigadores y las nuevas empresas están desarrollando tecnologías innovadoras para un futuro más fresco y con mayor eficiencia energética
Que nuestro planeta se calienta, también lo hace la demanda de tecnología de enfriamiento. El uso de energía para la refrigeración de espacios se triplicará con creces para 2050, según un informe de 2018 de la Agencia Internacional de Energía. Pero las unidades de aire acondicionado son cerdos de energía, que representan aproximadamente el 10% del consumo de electricidad en todo el mundo, y contienen un refrigerante de hidrofluorocarbono que es un gas de efecto invernadero más potente que el dióxido de carbono.
«Es un círculo vicioso», dice la ingeniera ambiental Shelie Miller, directora del Programa de Medio Ambiente de la Universidad de Michigan. «Hace más calor, por lo que encendemos nuestros aires acondicionados, que consumen más energía. Cuando usamos más energía, se liberan más gases de efecto invernadero, lo que hace que se caliente aún más.»
¿Cómo lidiamos con este conflicto? Es un problema que los científicos e ingenieros están trabajando para resolver desarrollando tecnologías de refrigeración más sofisticadas y eficientes energéticamente.
El concepto de aire acondicionado se remonta a siglos atrás.
«Las mejoras en la tecnología HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) están mejorando continuamente la eficiencia de los servicios de refrigeración, y el cambio a fuentes de energía renovables que reducen las emisiones de gases de efecto invernadero puede reducir el impacto general», dice Miller. «A lo largo de la historia, las personas han ideado formas innovadoras de enfriar edificios sin el uso de aire acondicionado de alto consumo energético.»
El concepto de aire acondicionado se remonta a siglos atrás. Los antiguos ingenieros persas construyeron «badgirs», que son atrapavientos que transportan la brisa fresca a las casas, y» yakhchāls», estructuras cónicas utilizadas para hacer hielo que fueron uno de los primeros refrigeradores en el desierto.
En 1820, el inventor Michael Faraday descubrió que comprimir y licuar amoníaco y luego permitir que se evaporara podía enfriar el aire. En 1902, el ingeniero Willis Carrier diseñó un aparato para la Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company en Nueva York que hacía circular aire sobre bobinas refrigeradas por amoníaco comprimido para controlar la humedad al imprimir en color. Carrier finalmente convirtió su diseño en el primer acondicionador de aire eléctrico del mundo, que debutó en 1925 en el Teatro Rivoli de Times Square, anunciando los días de ver películas taquilleras de verano en teatros con aire acondicionado.
Los acondicionadores de aire se consideraban un lujo cuando se introdujeron por primera vez para los consumidores, pero su capacidad para eliminar la humedad del aire y reducir la temperatura del aire durante condiciones cálidas los convirtió rápidamente en una necesidad en climas cálidos. La vasta migración de posguerra a los estados del Cinturón Solar de Estados Unidos habría sido imposible sin la expansión del aire acondicionado, al igual que el crecimiento de ciudades tropicales como Hong Kong y Singapur. (Lee Kuan Yew, padre fundador de Singapur, llamó al aire acondicionado el invento más importante del siglo XX.)
El aire más fresco es vital para mantener frescos los productos agrícolas, preservar los medicamentos y las vacunas, y enfriar los centros de datos que alimentan Internet. Se ha demostrado que mantenerse fresco es importante para la salud, el bienestar y el aumento de la productividad. Hoy en día, los investigadores y las nuevas empresas están aprovechando fuentes más eficientes de energía para generar la frescura que anhelamos, desde aleaciones metálicas que cambian de forma hasta energía renovable y el frío del cielo.
Un equipo de investigación de la Universidad de Sarre en Alemania está eliminando la necesidad de refrigerantes mediante el desarrollo de aleaciones con memoria de forma. Deformar o tirar de un alambre o lámina de níquel-titanio crea tensión para la aleación y aumenta su temperatura. Cuando el material vuelve a su forma original, se enfría a unos 20 grados por debajo de la temperatura ambiente.
«La idea básica era eliminar el calor de un espacio, como el interior de un refrigerador, permitiendo que un material de memoria de forma súper elástica y pretensada se relajara y, por lo tanto, se enfriara significativamente», explicó Stefan Seelecke, profesor de sistemas de materiales inteligentes en la Universidad de Sarre, cuando se anunció el proyecto.
El equipo ha creado un prototipo, una unidad de leva pendiente de patente que es un paquete giratorio de cables con memoria de forma que se utiliza para amplificar la potencia de refrigeración. El dispositivo podría funcionar como una bomba de calor, un aire acondicionado o incluso un refrigerador, todo sin refrigerantes perjudiciales para el medio ambiente. La Fundación Alemana de Investigación ha estado financiando el proyecto desde 2016, y la Comisión Europea y el Departamento de Energía de los Estados Unidos lo consideran una tecnología alternativa prometedora a los sistemas de refrigeración por compresión de vapor existentes.
Para la startup de tecnología limpia Blue Frontier, la energía renovable es clave para un sistema de refrigeración más eficiente. La compañía comenzó en Florida en 2013 como Be Power Tech, que desarrolló un aire acondicionado que producía su propia electricidad utilizando una pila de combustible de gas natural. Pero el CEO Daniel Betts descubrió que el mercado de la tecnología se limitaba a edificios propulsados por gas natural, y las pilas de combustible eran demasiado caras para su adopción temprana en el mercado.
Betts se asoció con ingenieros del Laboratorio Nacional de Energía Renovable para rediseñar el sistema. El resultado fue un aire acondicionado con almacenamiento de energía termoquímico de cloruro de litio, que almacena una solución de sal de alta concentración y la convierte en energía química para su uso posterior. «La generación de energía solar crece a lo largo de la mañana y disminuye a partir de la tarde», dice Betts. «La carga eléctrica en los edificios tiende a alcanzar su punto máximo de madrugada a última hora de la tarde, lo que lleva a un desajuste entre la generación y el consumo.»El aire acondicionado de Blue Frontier está equipado con la capacidad de almacenar energía de refrigeración, por lo que solo utiliza electricidad durante la producción máxima de energía solar. «Con nuestra tecnología», dice Betts, » podemos consumir electricidad solo cuando no hay congestión en la red y cuando la energía renovable es una parte más importante de la mezcla de electricidad.»
Mientras tanto, SkyCool Systems, con sede en California, recurrió al cielo nocturno por su tecnología de refrigeración. Fundada en 2016, la startup se originó en la Universidad de Stanford y desde entonces ha recaudado $990,000 en fondos de subvenciones proporcionadas por el Fondo StartX de la universidad y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Para comprender cómo funciona la tecnología de refrigeración de SkyCool Systems, considere cualquier material que mire al cielo por la noche. «Si mira hacia el cielo, naturalmente enviaría su calor como algo llamado radiación térmica», dice el científico y cofundador Aaswath Raman. «Cuando esta radiación térmica se envía al cielo, una fracción de ella se escapa al espacio. Debido a eso, cualquier superficie que mire al cielo por la noche se enfriará naturalmente por debajo de la temperatura del aire.»
Imitar este fenómeno natural durante el día resulta más difícil. «El sol calentará de forma natural cualquier material, lo suficiente como para contrarrestar este efecto de enfriamiento», dice Raman. «Necesitamos un material que refleje muy bien la luz solar, pero que siga emitiendo calor. Cuando tienes esas dos cosas juntas, también puedes habilitar este efecto durante el día. Eso se vuelve atractivo porque entonces tienes acceso a la refrigeración pasiva gratuita a mitad del día, que es cuando más necesitamos refrigeración.»
«El objetivo de ahorro de energía y reducción de la demanda podría situarse entre el 10% y el 30%.»
SkyCool Systems desarrolló paneles plateados que parecen paneles solares, pero que en su lugar están cubiertos por una película óptica que convierte el calor en un rango de longitud de onda del infrarrojo medio para deslizarse a través de la atmósfera y ser lanzados al espacio al tiempo que reflejan la luz solar. Los paneles de la compañía están desplegados actualmente en cinco sitios, incluido un edificio de oficinas y una tienda de conveniencia, y están integrados con los sistemas de refrigeración existentes, como refrigeradores, congeladores, máquinas de hielo y sistemas de aire acondicionado.
El ingeniero y cofundador Eli Goldstein dice que los beneficios de los paneles de refrigeración de SkyCool Systems son triples. «Uno es el ahorro de energía, otro es la reducción de la demanda y el tercero es el aumento de la capacidad de refrigeración de un sistema», dice. «El objetivo de ahorro de energía y reducción de la demanda podría situarse entre el 10% y el 30%.»
Además, el mecanismo de refrigeración no requiere energía ni agua. «Es efectivamente pasivo en su forma de enfriamiento, por lo que no consume energía ni agua», dice Goldstein. «No hay pérdida de agua por evaporación para generar este enfriamiento, por lo que es un enfoque mucho más sostenible.»
Estas tecnologías de refrigeración no están exentas de desafíos. SkyCool Systems está tratando de escalar lo más rápido posible para mantenerse al día con la demanda del mercado, y aunque la tecnología de Blue Frontier ha sido probada a través de varios prototipos, la compañía todavía necesita establecer pruebas de producción en masa y de campo.
Es posible que aún no hayan alcanzado una adopción a gran escala, pero estas innovaciones están allanando el camino para un futuro más fresco y con mayor eficiencia energética. Blue Frontier planea avanzar hacia un modelo de «aire acondicionado como servicio», mientras que SkyCool Systems prevé reemplazar los sistemas de aire acondicionado con sus paneles.
» La refrigeración es importante para nuestra vida cotidiana», dice Goldstein. «Necesitamos trabajar juntos para obtener sistemas más eficientes y ejecutarlos de manera sostenible.»
