wraz z ociepleniem planety naukowcy i startupy opracowują innowacyjne technologie zapewniające chłodniejszą i bardziej energooszczędną przyszłość
nasza planeta nagrzewa się, podobnie jak zapotrzebowanie na technologię chłodzenia. Zgodnie z raportem Międzynarodowej Agencji Energetycznej z 2018 r.zużycie energii do chłodzenia przestrzeni kosmicznej wzrośnie ponad trzykrotnie do 2050 r. Ale klimatyzatory są wieprzami mocy-co stanowi około 10% światowego zużycia energii elektrycznej-i zawierają czynnik chłodniczy fluorowęglowodorowy, który jest silniejszym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla.
„to błędne koło” – mówi inżynier ochrony środowiska Shelie Miller, dyrektor Programu Ochrony Środowiska Uniwersytetu Michigan. „Robi się cieplej, więc włączamy nasze klimatyzatory, które zużywają więcej energii. Kiedy zużywamy więcej energii, uwalniane są więcej gazów cieplarnianych, co powoduje, że staje się ona jeszcze cieplejsza.”
jak radzić sobie z tym konfliktem? To problem, nad którym pracują naukowcy i inżynierowie, opracowując bardziej wyrafinowane, energooszczędne technologie chłodzenia.
koncepcja klimatyzacji sięga wieków.
„ulepszenia technologii HVAC (Ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja) stale poprawiają wydajność usług chłodniczych, a przejście na odnawialne źródła energii, które zmniejszają emisję gazów cieplarnianych, może zmniejszyć ogólny wpływ”, mówi Miller. „W całej historii ludzie wymyślili innowacyjne sposoby chłodzenia budynków bez użycia energochłonnej klimatyzacji.”
pojęcie klimatyzacji sięga wieków wstecz. Starożytni perscy inżynierowie budowali „badgiry”, które są łapaczami wiatru, które leją chłodną bryzę do domów, oraz” yachchāls”, stożkowe struktury używane do wytwarzania lodu, które były jedną z pierwszych lodówek na pustyni.
w 1820 roku wynalazca Michael Faraday odkrył, że sprężanie i upłynnianie amoniaku, a następnie umożliwienie mu odparowania, może ochłodzić powietrze. W 1902 roku inżynier Willis Carrier zaprojektował urządzenie dla Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company w Nowym Jorku, które rozprowadzało powietrze nad cewkami schłodzonymi sprężonym amoniakiem, aby kontrolować wilgotność podczas drukowania w Kolorze. Carrier ostatecznie przekształcił swój projekt w pierwszy na świecie Klimatyzator elektryczny, który zadebiutował w 1925 roku w Teatrze Rivoli Na Times Square, zwiastując dni oglądania letnich hitów filmowych w klimatyzowanych kinach.
klimatyzatory były uważane za luksus, gdy zostały wprowadzone po raz pierwszy dla konsumentów, ale ich zdolność do usuwania wilgoci z powietrza i obniżania temperatury powietrza w ciepłych warunkach szybko sprawiła, że stały się koniecznością w gorącym klimacie. Rozległa powojenna migracja do Stanów amerykańskiego pasa słońca byłaby niemożliwa bez rozprzestrzeniania się klimatyzacji, podobnie jak rozwój tropikalnych miast, takich jak Hongkong i Singapur. (Lee Kuan Yew, ojciec założyciel Singapuru, nazwał klimatyzację najważniejszym wynalazkiem XX wieku.)
chłodniejsze powietrze ma kluczowe znaczenie dla utrzymania świeżości produktów, ochrony leków i szczepionek oraz chłodzenia centrów danych, które zasilają internet. Utrzymanie chłodu okazało się ważne dla zdrowia, dobrego samopoczucia i zwiększonej wydajności. Obecnie naukowcy i startupy wykorzystują bardziej energooszczędne źródła do generowania chłodu, którego pragniemy-od zmieniających kształty stopów metali po energię odnawialną i chłód nieba.
zespół badawczy Uniwersytetu Saary w Niemczech eliminuje potrzebę stosowania czynników chłodniczych poprzez opracowanie stopów z pamięcią kształtu. Odkształcanie lub ciągnięcie drutu niklowo-tytanowego lub arkusza powoduje naprężenie stopu i podnosi jego temperaturę. Po przywróceniu pierwotnego kształtu materiał schładza się do około 20 stopni poniżej temperatury otoczenia.
„podstawową ideą było usunięcie ciepła z przestrzeni — takiej jak wnętrze lodówki — poprzez umożliwienie sprężystemu, superelastycznemu materiałowi pamięci kształtu zrelaksowania się, a tym samym znacznego ochłodzenia”, wyjaśnił Stefan Seelecke, profesor inteligentnych systemów materiałowych na Uniwersytecie Saary, kiedy ogłoszono projekt.
zespół stworzył prototyp, opatentowany napęd krzywkowy, który jest obracającym się wiązką przewodów pamięci kształtu używanych do wzmacniania mocy chłodzenia. Urządzenie może działać jako pompa ciepła, klimatyzator, a nawet lodówka, a wszystko to bez żadnych szkodliwych dla środowiska czynników chłodniczych. Niemiecka Fundacja badawcza finansuje ten projekt od 2016 r., a Komisja Europejska i Departament Energii Stanów Zjednoczonych uważają go za obiecującą technologię alternatywną dla istniejących systemów chłodzenia z kompresją pary.
dla startupu clean-tech Blue Frontier Energia odnawialna jest kluczem do bardziej wydajnego systemu chłodzenia. Firma rozpoczęła działalność na Florydzie w 2013 roku jako Be Power Tech, która opracowała klimatyzator, który produkował własną energię elektryczną za pomocą ogniwa paliwowego na gaz ziemny. Jednak dyrektor generalny Daniel Betts stwierdził, że rynek technologii jest ograniczony do budynków zasilanych gazem ziemnym, a ogniwa paliwowe są zbyt drogie, aby można było je na wczesnym etapie wprowadzić na rynek.
Betts nawiązał współpracę z inżynierami z National Renewable Energy Laboratory w celu przeprojektowania systemu. Rezultatem był klimatyzator z termochemicznym magazynowaniem energii chlorku litu, który przechowuje roztwór soli o wysokim stężeniu i przekształca go w energię chemiczną do późniejszego wykorzystania. „Wytwarzanie energii słonecznej rośnie przez cały ranek i słabnie we wczesnych godzinach popołudniowych”, mówi Betts. „Obciążenie elektryczne w budynkach osiąga szczyt we wczesnych lub późnych godzinach popołudniowych, co prowadzi do niedopasowania między wytwarzaniem a zużyciem energii.”Klimatyzator Blue Frontier jest wyposażony w możliwość magazynowania energii chłodzącej, więc zużywa energię elektryczną tylko podczas maksymalnej produkcji energii słonecznej. „Dzięki naszej technologii,” mówi Betts, ” możemy zużywać energię elektryczną tylko wtedy, gdy nie ma przeciążenia sieci i gdy energia odnawialna jest większą częścią miksu energii elektrycznej.”
tymczasem kalifornijskie Systemy SkyCool zwróciły się w stronę nocnego nieba ze względu na technologię chłodzenia. Założona w 2016 roku, startup pochodzi z Uniwersytetu Stanforda i od tego czasu zebrał $990,000 w finansowaniu z grantów przyznawanych przez Fundusz StartX Uniwersytetu i agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Energii USA.
aby zrozumieć, jak działa technologia chłodzenia systemów SkyCool, rozważ każdy materiał skierowany w stronę nieba w nocy. „Jeśli patrzy w niebo, to w naturalny sposób wysyła swoje ciepło jako coś, co nazywa się promieniowaniem cieplnym”, mówi naukowiec i współzałożyciel Aaswath Raman. „Kiedy to promieniowanie cieplne jest wysyłane do nieba, pewna jego część ucieka w Przestrzeń Kosmiczną. Z tego powodu każda powierzchnia zwrócona w nocy ku niebu naturalnie ochładza się poniżej temperatury powietrza.”
naśladowanie tego naturalnego zjawiska w ciągu dnia okazuje się trudniejsze. „Słońce naturalnie podgrzeje każdy materiał — wystarczy, aby przeciwdziałać temu efektowi chłodzenia”, mówi Raman. „Potrzebujemy materiału, który dobrze odbija światło słoneczne, ale nadal wysyła ciepło. Gdy masz te dwie rzeczy razem, możesz włączyć ten efekt również w ciągu dnia. To staje się przekonujące, ponieważ wtedy masz dostęp do darmowego chłodzenia pasywnego w środku dnia, czyli wtedy, gdy najbardziej potrzebujemy chłodzenia.”
„docelowa oszczędność energii i zmniejszenie popytu mogą wynosić od 10% do 30%.”
firma SkyCool Systems opracowała srebrne panele, które wyglądają jak panele słoneczne, ale zamiast tego są pokryte folią optyczną, która zamienia ciepło w zakres długości fali średniej podczerwieni, aby prześlizgnąć się przez atmosferę i zostać wyrzuconym w Przestrzeń, jednocześnie odbijając światło słoneczne. Panele firmy są obecnie wdrażane w pięciu lokalizacjach, w tym w budynku biurowym i sklepie spożywczym, i są zintegrowane z istniejącymi systemami chłodzenia, takimi jak chłodnice, zamrażarki, maszyny do lodu i systemy klimatyzacji.
inżynier i współzałożyciel Eli Goldstein mówi, że korzyści płynące z paneli chłodzących SkyCool Systems są potrójne. „Jednym z nich jest oszczędność energii, innym zmniejszenie popytu, a trzecim zwiększenie wydajności chłodzenia systemu”, mówi. – Docelowa oszczędność energii i zmniejszenie popytu mogą wynosić od 10% do 30%.”
co więcej, mechanizm chłodzenia nie wymaga energii ani wody. „Jest skutecznie pasywny w formie chłodzenia, więc nie zużywa żadnej energii i wody”, mówi Goldstein. „Chłodzenie to nie powoduje utraty parującej wody, więc jest to znacznie bardziej zrównoważone podejście.”
te technologie chłodzenia nie są pozbawione wyzwań. SkyCool Systems stara się jak najszybciej zwiększyć skalę, aby nadążyć za popytem rynkowym i chociaż technologia Blue Frontier została sprawdzona przez różne prototypy, firma nadal musi ustanowić masową produkcję i próby terenowe.
być może nie osiągnęły one jeszcze szerokiej skali, ale te innowacje torują drogę do chłodniejszej i bardziej energooszczędnej przyszłości. Blue Frontier planuje przejść w kierunku modelu „Klimatyzator jako usługa”, podczas gdy SkyCool Systems planuje zastąpienie systemów klimatyzacji panelami.
„chłodzenie jest ważne w naszym codziennym życiu” „Musimy współpracować, aby uzyskać bardziej wydajne systemy i uruchomić je w zrównoważony sposób.”
