Come Tech Sta Ridefinendo il Futuro di Aria Condizionata

Come il nostro pianeta si riscalda, così fa anche la domanda per la tecnologia di raffreddamento. L’uso di energia per il raffreddamento dello spazio sarà più che triplicato da 2050 secondo un rapporto 2018 dell’Agenzia internazionale per l’energia. Ma le unità di condizionamento dell’aria sono maiali di potenza-che rappresentano circa il 10% del consumo mondiale di elettricità — e contengono un refrigerante idrofluorocarbonio che è un gas serra più potente dell’anidride carbonica.

“È un circolo vizioso”, afferma l’ingegnere ambientale Shelie Miller, direttore del programma in the Environment dell’Università del Michigan. “Diventa più caldo, quindi alziamo i nostri condizionatori d’aria, che consumano più energia. Quando usiamo più energia, vengono rilasciati più gas serra, facendolo diventare ancora più caldo.”

Come affrontiamo questo conflitto? È un problema che scienziati e ingegneri stanno lavorando per risolvere sviluppando tecnologie di raffreddamento più sofisticate ed efficienti dal punto di vista energetico.

Il concetto di aria condizionata risale a secoli fa.

“I miglioramenti nella tecnologia HVAC (riscaldamento, ventilazione e climatizzazione) migliorano continuamente l’efficienza dei servizi di raffreddamento e il passaggio a fonti di energia rinnovabili che riducono le emissioni di gas serra può ridurre l’impatto complessivo”, afferma Miller. “Nel corso della storia, le persone hanno escogitato modi innovativi per raffreddare gli edifici senza l’uso di aria condizionata ad alta intensità energetica.”

Il concetto di aria condizionata risale a secoli fa. Gli antichi ingegneri persiani costruirono “badgirs”, che sono cacciatori di vento che incanalano le brezze fresche verso le case, e” yakhchāls”, strutture coniche usate per fare il ghiaccio che furono uno dei primi frigoriferi nel deserto.

Nel 1820, l’inventore Michael Faraday scoprì che comprimere e liquefare l’ammoniaca e quindi lasciarla evaporare poteva raffreddare l’aria. Nel 1902, l’ingegnere Willis Carrier progettò un apparecchio per la Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company di New York che circolava aria su bobine raffreddate da ammoniaca compressa per controllare l’umidità durante la stampa a colori. Carrier alla fine trasformò il suo progetto nel primo condizionatore d’aria elettrico al mondo, che debuttò nel 1925 nel Rivoli Theatre di Times Square, annunciando i giorni di guardare film di successo estivi nei teatri con aria condizionata.

I condizionatori d’aria erano considerati un lusso quando introdotti per la prima volta per i consumatori, ma la loro capacità di rimuovere l’umidità dall’aria e ridurre la temperatura dell’aria durante le condizioni calde li rendeva rapidamente una necessità nei climi caldi. La vasta migrazione postbellica verso gli stati americani della Sun Belt sarebbe stata impossibile senza la diffusione dell’aria condizionata, così come la crescita di città tropicali come Hong Kong e Singapore. (Lee Kuan Yew, padre fondatore di Singapore, soprannominato aria condizionata l’invenzione più importante del 20 ° secolo.)

L’aria più fresca è vitale per mantenere freschi i prodotti, preservare la medicina e i vaccini e raffreddare i data center che alimentano Internet. Mantenere fresco ha dimostrato di essere importante per la salute, il benessere e una maggiore produttività. Oggi, i ricercatori e le startup stanno sfruttando fonti più efficienti dal punto di vista energetico per generare la freschezza che desideriamo-dalle leghe metalliche che cambiano forma all’energia rinnovabile e al freddo del cielo.

Un gruppo di ricerca della Saarland University in Germania sta eliminando la necessità di refrigeranti sviluppando leghe a memoria di forma. Deformare o tirare un filo o un foglio di nichel-titanio crea stress per la lega e aumenta la sua temperatura. Quando il materiale viene riportato alla sua forma originale, si raffredda a circa 20 gradi sotto la temperatura ambiente.

“L’idea di base era quella di rimuovere il calore da uno spazio — come l’interno di un frigorifero — consentendo a un materiale a memoria di forma pre-stressato e super-elastico di rilassarsi e quindi raffreddarsi in modo significativo”, ha spiegato Stefan Seelecke, professore di intelligent material systems presso la Saarland University, quando il progetto è stato annunciato.

Il team ha creato un prototipo, un cam drive in attesa di brevetto che è un fascio rotante di fili di memoria di forma utilizzati per amplificare la potenza di raffreddamento. Il dispositivo potrebbe funzionare come una pompa di calore, un condizionatore d’aria, o anche un frigorifero, il tutto senza refrigeranti dannosi per l’ambiente. La Fondazione di ricerca tedesca finanzia il progetto dal 2016, con la Commissione europea e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti considerandolo una promettente tecnologia alternativa agli attuali sistemi di refrigerazione a compressione di vapore.

Per la startup clean-tech Blue Frontier, l’energia rinnovabile è la chiave per un sistema di raffreddamento più efficiente. La società ha iniziato in Florida nel 2013 come Be Power Tech, che ha sviluppato un condizionatore d’aria che ha prodotto la propria energia elettrica utilizzando una cella a combustibile a gas naturale. Ma il CEO Daniel Betts ha scoperto che il mercato della tecnologia era limitato agli edifici alimentati a gas naturale e le celle a combustibile erano troppo costose per l’adozione precoce del mercato.

Betts ha poi collaborato con gli ingegneri del National Renewable Energy Laboratory per ridisegnare il sistema. Il risultato è stato un condizionatore d’aria con accumulo di energia di cloruro di litio termochimico, che immagazzina una soluzione salina ad alta concentrazione e la converte in energia chimica per un uso successivo. “La produzione di energia solare cresce per tutta la mattina e diminuisce a partire dal primo pomeriggio”, afferma Betts. “Il carico elettrico negli edifici tende a picco dal primo al tardo pomeriggio, portando a una mancata corrispondenza tra generazione e consumo.”Il condizionatore d’aria di Blue Frontier è dotato della capacità di immagazzinare energia di raffreddamento, quindi utilizza solo elettricità durante la massima produzione di energia solare. “Con la nostra tecnologia”, afferma Betts, ” possiamo consumare elettricità solo quando non c’è congestione della rete e quando l’energia rinnovabile è una parte più grande del mix di elettricità.”

Nel frattempo, SkyCool Systems con sede in California si è rivolta al cielo notturno per la sua tecnologia di raffreddamento. Fondata in 2016, la startup ha avuto origine presso la Stanford University e da allora ha raccolto funding 990,000 in finanziamenti da sovvenzioni fornite dal Fondo StartX dell’università e dall’agenzia per i progetti di ricerca avanzati del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Per capire come funziona la tecnologia di raffreddamento di SkyCool Systems, considera qualsiasi materiale rivolto verso il cielo di notte. “Se sta guardando il cielo, invierebbe naturalmente il suo calore come qualcosa chiamato radiazione termica”, afferma lo scienziato e co-fondatore Aaswath Raman. “Quando questa radiazione termica viene inviata al cielo, una parte di essa sfugge nello spazio. Per questo motivo, qualsiasi superficie rivolta verso il cielo di notte si raffredderà naturalmente al di sotto della temperatura dell’aria.”

Imitare questo fenomeno naturale durante il giorno si rivela più difficile. “Il sole riscalderà naturalmente qualsiasi materiale, abbastanza da contrastare questo effetto di raffreddamento”, afferma Raman. “Abbiamo bisogno di un materiale che rifletta molto bene la luce solare ma continui a inviare calore. Quando hai queste due cose insieme, potresti abilitare questo effetto anche durante il giorno. Che diventa convincente perché allora si ha accesso al raffreddamento passivo gratuito nel bel mezzo della giornata, che è quando abbiamo bisogno di raffreddamento più.”

“L’obiettivo di risparmio energetico e di riduzione della domanda potrebbe essere compreso tra il 10% e il 30%.”

SkyCool Systems ha sviluppato pannelli argentati che assomigliano a pannelli solari ma sono invece coperti da una pellicola ottica che converte il calore in una gamma di lunghezze d’onda a medio infrarosso per scivolare attraverso l’atmosfera e ottenere gettato nello spazio mentre riflette anche la luce solare. I pannelli dell’azienda sono attualmente distribuiti in cinque siti, tra cui un edificio per uffici e un minimarket, e sono integrati con i sistemi di raffreddamento esistenti, come refrigeratori, congelatori, macchine per il ghiaccio e sistemi di condizionamento dell’aria.

L’ingegnere e co-fondatore Eli Goldstein afferma che i vantaggi dei pannelli di raffreddamento di SkyCool Systems sono triplicati. “Uno è il risparmio energetico, un altro è la riduzione della domanda e il terzo sta aumentando la capacità di raffreddamento di un sistema”, afferma. “L’obiettivo di risparmio energetico e riduzione della domanda potrebbe essere ovunque tra il 10% e il 30%.”

Inoltre, il meccanismo di raffreddamento non richiede energia o acqua. “È effettivamente passivo nella sua forma di raffreddamento, quindi non utilizza energia e acqua”, afferma Goldstein. “Non c’è perdita di acqua evaporativa per generare questo raffreddamento, quindi è un approccio molto più sostenibile.”

Queste tecnologie di raffreddamento non sono senza le loro sfide. SkyCool Systems sta cercando di scalare il più rapidamente possibile per tenere il passo con la domanda del mercato, e anche se la tecnologia di Blue Frontier è stata dimostrata attraverso vari prototipi, l’azienda ha ancora bisogno di stabilire la produzione di massa e prove sul campo.

Potrebbero non aver ancora raggiunto un’adozione su larga scala, ma queste innovazioni stanno aprendo la strada a un futuro più fresco e più efficiente dal punto di vista energetico. Blue Frontier prevede di passare a un modello di “condizionatore d’aria come servizio” mentre SkyCool Systems prevede di sostituire i sistemi di climatizzazione con i suoi pannelli.

“Il raffreddamento è importante per la nostra vita quotidiana”, afferma Goldstein. “Dobbiamo lavorare insieme per ottenere sistemi più efficienti e gestirli in modo sostenibile.”