kun planeetta lämpenee, tutkijat ja startupit kehittävät innovatiivisia teknologioita viileämpään ja energiatehokkaampaan tulevaisuuteen
planeettamme lämmetessä, niin myös jäähdytysteknologian kysyntä. Energian käyttö avaruuden jäähdytyksessä yli kolminkertaistuu vuoteen 2050 mennessä Kansainvälisen energiajärjestön 2018 raportin mukaan. Ilmastointilaitteet ovat kuitenkin tehosikoja, joiden osuus maailman sähkönkulutuksesta on noin 10 prosenttia, ja niissä on fluorihiilivetyä sisältävä Kylmäaine, joka on hiilidioksidia voimakkaampi kasvihuonekaasu.
”se on noidankehä”, sanoo ympäristöinsinööri Shelie Miller, Michiganin yliopiston ympäristöohjelman johtaja. ”Se lämpenee, joten käytämme ilmastointilaitteita, jotka kuluttavat enemmän energiaa. Kun käytämme enemmän energiaa, vapautuu enemmän kasvihuonekaasuja, mikä saa sen lämpenemään entisestään.”
miten me käsittelemme tätä konfliktia? Se on ongelma, jonka tutkijat ja insinöörit pyrkivät ratkaisemaan kehittämällä kehittyneempiä, energiatehokkaampia jäähdytystekniikoita.
ilmastoinnin käsite on peräisin vuosisatojen takaa.
”LVI-tekniikan (lämmitys, ilmanvaihto ja ilmastointi) parannukset tehostavat jatkuvasti jäähdytyspalveluita, ja siirtyminen kasvihuonekaasupäästöjä vähentäviin uusiutuviin energialähteisiin voi vähentää kokonaisvaikutusta, Miller sanoo. ”Ihmiset ovat kautta historian keksineet innovatiivisia tapoja viilentää rakennuksia ilman energiaintensiivistä ilmastointia.”
ilmastoinnin käsite on peräisin vuosisatojen takaa. Muinaiset persialaiset insinöörit rakensivat ”badgireja”, jotka ovat tuulenkaatajia, jotka kuljettavat kylmiä tuulia alas taloihin, ja” yakhchāleja”, kartiomaisia rakennelmia, joita käytettiin jään valmistamiseen ja jotka olivat aavikon ensimmäisiä jääkaappeja.
vuonna 1820 keksijä Michael Faraday keksi, että ammoniakin puristaminen ja nesteyttäminen ja sen päästäminen sitten haihtumaan voisi viilentää ilmaa. Vuonna 1902 insinööri Willis Carrier suunnitteli Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Companylle New Yorkissa laitteen, joka kierrätti ilmaa puristetulla ammoniakilla jäähdytettyjen kelojen päälle säätelemään kosteutta väripainettaessa. Carrier lopulta kääntyi hänen suunnittelu maailman ensimmäinen sähköinen ilmastointilaite, joka debytoi vuonna 1925 Times Squaren Rivoli Theater, enteilee päivää katsomassa kesällä blockbuster elokuvia ilmastoiduissa teattereissa.
ilmastointilaitteita pidettiin ylellisyytenä, kun ne otettiin käyttöön kuluttajille, mutta niiden kyky poistaa ilmankosteutta ja alentaa ilman lämpötilaa lämpimissä olosuhteissa teki niistä nopeasti välttämättömän kuumassa ilmastossa. Valtava sodanjälkeinen muuttoliike Amerikan Aurinkovyöhykkeen valtioihin olisi ollut mahdotonta ilman ilmastoinnin leviämistä, samoin kuin Hong Kongin ja Singaporen kaltaisten trooppisten kaupunkien kasvu. (Lee Kuan Yew, Singaporen perustajaisä, kutsui ilmastointia 1900-luvun tärkeimmäksi keksinnöksi.)
viileämpi ilma on elintärkeää tuoretuotteiden säilyttämiseksi, lääkkeiden ja rokotteiden säilömiseksi ja internetiä käyttävien datakeskusten jäähdyttämiseksi. Viileänä pysymisen on osoitettu olevan tärkeää terveydelle, hyvinvoinnille ja tuottavuuden kasvulle. Nykyään tutkijat ja startupit valjastavat energiatehokkaampia lähteitä tuottamaan kaipaamaamme viileyttä-muotoa muuttavista metalliseoksista uusiutuvaan energiaan ja taivaan kylmyyteen.
tutkimusryhmä Saarlandin yliopistossa Saksassa poistaa kylmäaineiden tarvetta kehittämällä muotomuistiseoksia. Nikkeli-titaanilangan tai-levyn vääntäminen tai vetäminen luo metalliseokselle stressiä ja nostaa sen lämpötilaa. Kun materiaali tuodaan takaisin alkuperäiseen muotoonsa, se jäähtyy noin 20 astetta alle ympäristön lämpötilan.
”perusajatuksena oli poistaa lämpöä tilasta-kuten jääkaapin sisäosista-antamalla ennalta stressaantuneen, superjoustavan muotomuistimateriaalin rentoutua ja siten jäähtyä merkittävästi”, selitti Stefan Seelecke, älykkäiden materiaalijärjestelmien professori Saarlandin yliopistosta, kun projekti julkistettiin.
tiimi on luonut prototyypin, patenttia odottavan cam-aseman, joka on pyörivä nippu muotomuistijohtoja, joita käytetään vahvistamaan jäähdytystehoa. Laite voisi toimia lämpöpumppuna, ilmastointilaitteena tai jopa jääkaappina ilman ympäristölle haitallisia kylmäaineita. Saksalainen tutkimussäätiö on rahoittanut hanketta vuodesta 2016, ja Euroopan komissio ja Yhdysvaltain energiaministeriö pitävät sitä lupaavana vaihtoehtoisena teknologiana nykyisille höyrynpuristusjäähdytysjärjestelmille.
clean-tech startup Blue Frontierissa uusiutuva energia on avain tehokkaampaan jäähdytysjärjestelmään. Yritys aloitti Floridassa vuonna 2013 nimellä Be Power Tech, joka kehitti ilmastointilaitteen, joka tuotti omaa sähköään maakaasulla toimivalla polttokennolla. Mutta toimitusjohtaja Daniel Betts totesi, että teknologian markkinat rajoittuivat rakennuksiin, jotka toimivat maakaasulla,ja polttokennot olivat liian kalliita varhaisessa vaiheessa markkinoille.
Betts teki tämän jälkeen yhteistyötä kansallisen uusiutuvan energian laboratorion insinöörien kanssa järjestelmän uudelleensuunnittelemiseksi. Tuloksena oli ilmastointilaite, jossa on lämpökemiallinen litiumkloridienergiavarasto, joka varastoi runsaasti suolaliuosta ja muuntaa sen kemialliseksi energiaksi myöhempää käyttöä varten. ”Aurinkoenergian tuotanto kasvaa koko aamun ja hiipuu alkuiltapäivästä alkaen”, Betts sanoo. ”Rakennusten sähkökuormitus on yleensä huipussaan alku-ja loppuiltapäivästä, mikä johtaa tuotannon ja kulutuksen epäsuhtaan.”Blue Frontierin ilmastointilaite on varustettu jäähdytysenergian varastointikyvyllä, joten se käyttää sähköä vain maksimaalisen aurinkoenergian tuotannon aikana. ”Teknologiallamme pystymme kuluttamaan sähköä vain silloin, kun sähköverkkoa ei ole ruuhkautunut ja kun uusiutuva energia on isompi osa sähkövalikoimaa”, Betts sanoo.”
samaan aikaan Kalifornialainen SkyCool Systems kääntyi yötaivaalle jäähdytystekniikkansa vuoksi. Vuonna 2016 perustettu startup sai alkunsa Stanfordin yliopistosta ja on sittemmin kerännyt 990 000 dollaria rahoitusta yliopiston StartX-rahaston ja Yhdysvaltain energiaministeriön Advanced Research Projects Agencyn myöntämistä apurahoista.
ymmärtääksesi, miten SkyCool Systemsin jäähdytystekniikka toimii, harkitse mitä tahansa materiaalia, joka on taivaalla yöllä. ”Jos se katsoo ylös taivaalle, se lähettää luonnollisesti lämpöään niin sanottuna lämpösäteilynä”, sanoo tiedemies ja perustajajäsen Aaswath Raman. ”Kun tämä lämpösäteily lähetetään taivaalle, osa siitä pakenee avaruuteen. Sen vuoksi mikä tahansa taivaalle yöllä suunnattu pinta viilenee luonnollisesti alle ilman lämpötilan.”
tämän luonnonilmiön matkiminen päiväsaikaan osoittautuu vaikeammaksi. ”Aurinko lämmittää luonnollisesti mitä tahansa ainetta-riittävästi tämän viilentävän vaikutuksen torjumiseksi”, sanoo Raman. ”Tarvitsemme materiaalia, joka heijastaa auringonvaloa todella hyvin, mutta lähettää edelleen lämpöä. Kun sinulla on nämä kaksi asiaa yhdessä, voit mahdollistaa tämän vaikutuksen päivällä samoin. Se on pakottavaa, koska silloin on vapaa passiivinen jäähdytys keskellä päivää, jolloin tarvitsemme jäähdytystä eniten.”
”energiansäästötavoite ja kysynnän vähentäminen voivat olla 10-30 prosenttia.”
SkyCool Systems kehitti hopeapaneelit, jotka näyttävät aurinkopaneeleilta, mutta jotka on sen sijaan peitetty optisella kalvolla, joka muuntaa lämmön infrapunasäteilyn aallonpituusalueelle liukuakseen ilmakehän läpi ja päästäkseen avaruuteen heijastaen samalla auringonvaloa pois. Yhtiön paneelit ovat tällä hetkellä käytössä viidessä toimipisteessä, muun muassa toimistorakennuksessa ja lähikaupassa, ja ne on integroitu olemassa oleviin jäähdytysjärjestelmiin, kuten jäähdyttimiin, pakastimiin, jääkoneisiin ja ilmastointijärjestelmiin.
insinööri ja toinen perustaja Eli Goldstein sanoo, että SkyCool Systemsin jäähdytyspaneelien edut ovat kolminkertaiset. ”Yksi on energiansäästö, toinen kysynnän vähentäminen ja kolmas järjestelmän jäähdytyskapasiteetin lisääminen”, hän sanoo. ”Tavoite energiansäästöstä ja kysynnän vähentämisestä voi olla 10-30 prosenttia.”
lisäksi jäähdytysmekanismi ei vaadi energiaa eikä vettä. ”Se on jäähdytysmuodoltaan käytännössä passiivinen, joten se ei käytä lainkaan energiaa ja vettä”, Goldstein sanoo. ”Jäähdytys ei aiheuta haihtuvaa vettä, joten se on paljon kestävämpi lähestymistapa.”
nämä jäähdytystekniikat eivät ole vailla haasteitaan. SkyCool Systems pyrkii skaalautumaan mahdollisimman nopeasti pysyäkseen markkinoiden kysynnän tasalla, ja vaikka Blue Frontierin teknologia on todistettu erilaisilla prototyypeillä, yrityksen on vielä luotava massatuotantoa ja kenttäkokeita.
niitä ei ehkä ole vielä otettu laajamittaisesti käyttöön, mutta nämä innovaatiot tasoittavat tietä viileämmälle ja energiatehokkaammalle tulevaisuudelle. Blue Frontier aikoo siirtyä kohti ”ilmastointilaite palveluna” – mallia, kun taas SkyCool Systems suunnittelee ilmastointijärjestelmien korvaamista paneeleilla.
”viileneminen on tärkeää arjessamme”, Goldstein sanoo. ”Meidän on tehtävä yhteistyötä, jotta järjestelmät saadaan tehokkaammiksi ja niitä ajetaan kestävällä tavalla.”
