naarmate de planeet opwarmt, ontwikkelen onderzoekers en startups innovatieve technologieën voor een koelere en energie-efficiënte toekomst
naarmate onze planeet opwarmt, neemt ook de vraag naar koeltechnologie toe. Volgens een rapport uit 2018 van het Internationaal Energieagentschap zal het energieverbruik voor ruimtekoeling in 2050 meer dan verdrievoudigen. Maar airco ‘ s zijn power hogs — goed voor ongeveer 10% van het wereldwijde elektriciteitsverbruik — en bevatten een hydrofluorocarbon koelmiddel dat een krachtiger broeikasgas is dan kooldioxide.”It’ s a vicious cycle”, zegt milieuingenieur Shelie Miller, directeur van de Universiteit van Michigan ‘ s Program in the Environment. “Het wordt warmer, dus zetten we onze airconditioners harder, die meer energie verbruiken. Als we meer energie gebruiken, komen er meer broeikasgassen vrij, waardoor het nog warmer wordt.”
Hoe gaan we om met dit conflict? Het is een probleem dat wetenschappers en ingenieurs proberen op te lossen door meer geavanceerde, energie-efficiënte koeltechnologieën te ontwikkelen.
het concept van airconditioning dateert van eeuwen.
“verbeteringen in HVAC-technologie (verwarming, ventilatie en airconditioning) verbeteren voortdurend de efficiëntie van koelservices, en overstappen op hernieuwbare energiebronnen die de uitstoot van broeikasgassen verminderen kan de totale impact verminderen,” zegt Miller. “Door de geschiedenis heen hebben mensen innovatieve manieren bedacht om gebouwen te koelen zonder gebruik te maken van energie-intensieve airconditioning.”
het concept van airconditioning dateert van eeuwen. Oude Perzische ingenieurs bouwden “badgirs”, windvangers die koele briesjes naar huizen leiden, en” yakhchāls”, conische structuren die gebruikt werden om ijs te maken dat een van de eerste koelkasten in de woestijn was.In 1820 ontdekte uitvinder Michael Faraday dat het comprimeren en vloeibaar maken van ammoniak en het vervolgens laten verdampen de lucht kon koelen. In 1902 ontwierp ingenieur Willis Carrier een apparaat voor de lithografie-en drukkerij Sackett & Wilhelms in New York dat lucht circuleerde over spoelen die gekoeld waren door samengeperste ammoniak om de vochtigheid te controleren bij het afdrukken in kleur. Carrier veranderde zijn ontwerp uiteindelijk in ‘ s werelds eerste elektrische airconditioner, die in 1925 debuteerde in het Rivoli Theater van Times Square, wat de dagen aankondigde van het kijken naar zomerfilms in theaters met airconditioning.Airconditioners werden beschouwd als een luxe toen ze voor het eerst werden geïntroduceerd voor consumenten, maar hun vermogen om vochtigheid uit de lucht te verwijderen en de luchttemperatuur te verlagen onder warme omstandigheden maakte ze al snel een noodzaak in warme klimaten. De enorme naoorlogse migratie naar Amerika ‘ s Zonnegordel Staten zou onmogelijk zijn geweest zonder de verspreiding van airconditioning, net als de groei van tropische steden als Hong Kong en Singapore. (Lee Kuan Yew, de grondlegger van Singapore, noemde Airconditioning de belangrijkste uitvinding van de 20e eeuw.)
koelere lucht is van vitaal belang voor het vers houden van producten, het bewaren van medicijnen en vaccins, en het koelen van datacenters die het internet van stroom voorzien. Koel blijven is belangrijk gebleken voor gezondheid, welzijn en verhoogde productiviteit. Tegenwoordig gebruiken onderzoekers en startups meer energie-efficiënte bronnen om de koelte te genereren waar we naar verlangen — van vormveranderende metaallegeringen tot hernieuwbare energie en de kou van de lucht.
een onderzoeksteam van de Universiteit Saarland in Duitsland elimineert de behoefte aan koelmiddelen door vormgeheugenlegeringen te ontwikkelen. Vervormen of trekken van een nikkel-titanium draad of plaat creëert stress voor de legering en verhoogt de temperatuur. Wanneer het materiaal weer in zijn oorspronkelijke vorm wordt gebracht, koelt het af tot ongeveer 20 graden onder omgevingstemperatuur.
” het basisidee was om warmte uit een ruimte te verwijderen — zoals het interieur van een koelkast — door een voorgespannen, super elastisch vormgeheugenmateriaal te laten ontspannen en dus aanzienlijk te koelen, ” verklaarde Stefan Seelecke, hoogleraar intelligent material systems aan de Universiteit van Saarland, toen het project werd aangekondigd.
het team heeft een prototype gemaakt, een nokaandrijving waarvoor patent is aangevraagd, een roterende bundel vormgeheugendraden die worden gebruikt om het koelvermogen te versterken. Het apparaat kan werken als een warmtepomp, een airconditioner, of zelfs een koelkast, allemaal zonder milieuschadelijke koelmiddelen. De Duitse Onderzoeksstichting financiert het project sinds 2016, waarbij de Europese Commissie en het Amerikaanse Ministerie van energie het beschouwen als een veelbelovende alternatieve technologie voor bestaande dampcompressiekoelsystemen.
voor clean-tech startende Blue Frontier is hernieuwbare energie de sleutel tot een efficiënter koelsysteem. Het bedrijf begon in Florida in 2013 als Be Power Tech, die een airconditioner ontwikkelde die zijn eigen elektriciteit produceerde met behulp van een aardgas brandstofcel. Maar CEO Daniel Betts vond dat de markt voor de technologie was beperkt tot gebouwen aangedreven door aardgas, en brandstofcellen waren te duur voor een vroege markt adoptie.Betts werkte vervolgens samen met ingenieurs van het National Renewable Energy Laboratory om het systeem opnieuw te ontwerpen. Het resultaat was een airconditioner met thermochemische lithiumchloride – energieopslag, die een zoutoplossing met hoge concentratie opslaat en omzet in chemische energie voor later gebruik. “Zonne-energieopwekking groeit de hele ochtend en neemt af vanaf het begin van de middag,” zegt Betts. “De elektrische belasting in gebouwen piekt meestal in de vroege tot late namiddag, wat leidt tot een mismatch tussen opwekking en verbruik.”De airco van Blue Frontier is uitgerust met de mogelijkheid om koelenergie op te slaan, dus hij gebruikt alleen elektriciteit tijdens de maximale zonne-energieproductie. “Met onze technologie”, zegt Betts, ” kunnen we alleen elektriciteit verbruiken als er geen congestie op het net is en als hernieuwbare energie een groter deel van de elektriciteitsmix is.”
ondertussen wendde SkyCool Systems zich tot de nachtelijke hemel voor zijn koeltechnologie. Opgericht in 2016, de startup is ontstaan op Stanford University en heeft sindsdien verhoogd $ 990.000 in de financiering van subsidies van de universiteit StartX fonds en het Amerikaanse Ministerie van energie Advanced Research Projects Agency.
om te begrijpen hoe de koeltechnologie van SkyCool Systems werkt, moet rekening worden gehouden met elk materiaal dat ‘ s nachts naar de hemel kijkt. “Als het naar de hemel kijkt, zou het natuurlijk zijn warmte uitzenden als iets dat warmtestraling wordt genoemd,” zegt wetenschapper en medeoprichter Aaswath Raman. “Wanneer deze warmtestraling naar de hemel wordt gestuurd, ontsnapt een deel ervan de ruimte in. Hierdoor zal elk oppervlak dat ‘ s nachts naar de hemel kijkt, van nature afkoelen tot onder de luchttemperatuur.”
het nabootsen van dit natuurverschijnsel gedurende de dag blijkt moeilijker. “De zon zal van nature elk materiaal opwarmen — genoeg om dit verkoelende effect tegen te gaan”, zegt Raman. “We hebben een materiaal nodig dat zonlicht goed weerkaatst, maar warmte blijft uitzenden. Als je die twee dingen bij elkaar hebt, kun je dit effect overdag ook inschakelen. Dat wordt fascinerend omdat je dan midden op de dag toegang hebt tot vrije passieve koeling, en dat is wanneer we koeling het meest nodig hebben.”
“de streefwaarde voor energiebesparing en vermindering van de vraag kan tussen de 10% en 30% liggen.”
SkyCool Systems ontwikkelde zilveren panelen die eruit zien als zonnepanelen, maar in plaats daarvan bedekt zijn met een optische film die warmte omzet in een midden-infrarood golflengtebereik om door de atmosfeer te glijden en in de ruimte gegoten te worden, terwijl het zonlicht ook weerkaatst. De panelen van het bedrijf worden momenteel ingezet op vijf locaties, waaronder een kantoorgebouw en een supermarkt, en zijn geïntegreerd met bestaande koelsystemen, zoals koelers, diepvriezers, ijsmachines en airconditioningsystemen.Volgens ingenieur en medeoprichter Eli Goldstein zijn de voordelen van de koelpanelen van SkyCool Systems drievoudig. “De ene is energiebesparing, de andere is vermindering van de vraag, en de derde is het verhogen van de koelcapaciteit van een systeem,” zegt hij. “De streefwaarde voor energiebesparing en vermindering van de vraag kan tussen de 10% en 30% liggen.”
bovendien vereist het koelmechanisme geen energie of water. “Het is effectief passief in de vorm van koeling, dus het Gebruikt geen energie en water,” zegt Goldstein. “Er is geen verdampingswaterverlies om deze koeling te genereren, dus het is een veel duurzamere aanpak.”
deze koeltechnologieën zijn niet zonder hun uitdagingen. SkyCool Systems probeert zo snel mogelijk op te schalen om gelijke tred te houden met de marktvraag, en hoewel de technologie van Blue Frontier is bewezen met verschillende prototypes, moet het bedrijf nog steeds massaproductie en veldproeven uitvoeren.
zij zijn misschien nog niet op grote schaal toegepast, maar deze innovaties effenen de weg voor een koelere en energie-efficiënte toekomst. Blue Frontier is van plan om over te stappen op een “airco as a service” – model, terwijl SkyCool Systems van plan is airconditioningsystemen te vervangen door zijn panelen.”Koeling is belangrijk voor ons dagelijks leven”, zegt Goldstein. “We moeten samenwerken om efficiëntere systemen te krijgen en ze op een duurzame manier te laten werken.”
