pe măsură ce planeta se încălzește, cercetătorii și startup-urile dezvoltă tehnologii inovatoare pentru un viitor mai rece și mai eficient din punct de vedere energetic
pe măsură ce planeta noastră se încălzește, la fel și cererea de tehnologie de răcire. Utilizarea energiei pentru răcirea spațiului se va tripla până în 2050, potrivit unui raport din 2018 al Agenției Internaționale pentru Energie. Dar unitățile de aer condiționat sunt porci de putere — reprezentând aproximativ 10% din consumul mondial de energie electrică — și conțin un agent frigorific hidrofluorocarbon care este un gaz cu efect de seră mai puternic decât dioxidul de carbon.
„este un cerc vicios”, spune inginerul de mediu Shelie Miller, directorul Programului de mediu al Universității din Michigan. „Devine mai cald, așa că ne aprindem aparatele de aer condiționat, care consumă mai multă energie. Când folosim mai multă energie, se eliberează mai multe gaze cu efect de seră, determinând-o să se încălzească și mai mult.”
cum rezolvăm acest conflict? Este o problemă pe care oamenii de știință și inginerii lucrează să o rezolve prin dezvoltarea unor tehnologii de răcire mai sofisticate și mai eficiente din punct de vedere energetic.
conceptul de aer condiționat datează de secole.
„Îmbunătățirile tehnologiei HVAC (încălzire, ventilație și aer condiționat) îmbunătățesc continuu eficiența serviciilor de răcire, iar trecerea la surse regenerabile de energie care reduc emisiile de gaze cu efect de seră poate reduce impactul general”, spune Miller. „De-a lungul istoriei, oamenii au venit cu modalități inovatoare de răcire a clădirilor fără utilizarea aerului condiționat cu consum mare de energie.”
conceptul de aer condiționat datează de secole. Inginerii persani antici au construit „badgirs”, care sunt captoare de vânt care pâlnie briza rece până la case, și” yakhch okticls”, structuri conice folosite pentru a face gheață care au fost unul dintre primele frigidere din deșert.
în 1820, inventatorul Michael Faraday a descoperit că comprimarea și lichefierea amoniacului și apoi lăsarea acestuia să se evapore ar putea răci aerul. În 1902, inginerul Willis Carrier a proiectat un aparat pentru Sackett & Wilhelms Litographing and Printing Company din New York care circula aer peste bobine răcite de amoniac comprimat pentru a controla umiditatea la imprimarea color. Carrier și-a transformat în cele din urmă designul în primul aparat de aer condiționat electric din lume, care a debutat în 1925 în Times Square ‘ s Teatrul Rivoli, anunțând zilele vizionării filmelor de succes de vară în teatrele cu aer condiționat.
aparatele de aer condiționat au fost considerate un lux atunci când au fost introduse pentru prima dată pentru consumatori, dar capacitatea lor de a elimina umiditatea din aer și de a reduce temperatura aerului în condiții calde le-a făcut rapid o necesitate în climatele calde. Vasta migrație postbelică către statele din centura soarelui din America ar fi fost imposibilă fără răspândirea aerului condiționat, la fel ca și creșterea orașelor tropicale precum Hong Kong și Singapore. (Lee Kuan Yew, fondatorul Singapore, numit de aer condiționat cea mai importantă invenție a secolului 20.)
aerul mai rece este vital pentru păstrarea produselor proaspete, conservarea medicamentelor și vaccinurilor și răcirea centrelor de date care alimentează internetul. Păstrarea răcoroasă s-a dovedit a fi importantă pentru sănătate, bunăstare și productivitate crescută. Astăzi, cercetătorii și startup-urile valorifică surse mai eficiente din punct de vedere energetic pentru a genera răcoarea pe care o dorim — de la aliajele metalice care schimbă forma la energia regenerabilă și frigul cerului.
o echipă de cercetare de la Universitatea Saarland din Germania elimină nevoia de agenți frigorifici prin dezvoltarea aliajelor cu memorie de formă. Deformarea sau tragerea unui fir sau a unei foi de nichel-titan creează stres pentru Aliaj și crește temperatura acestuia. Când materialul este readus la forma sa originală, se răcește la aproximativ 20 de grade sub temperatura ambiantă.
„ideea de bază a fost eliminarea căldurii dintr — un spațiu — cum ar fi interiorul unui frigider-permițând unui material de memorie de formă pre-stresat, super-elastic, să se relaxeze și astfel să se răcească semnificativ”, a explicat Stefan seelecke, profesor pentru sisteme materiale inteligente la Universitatea Saarland, când a fost anunțat proiectul.
echipa a creat un prototip, o unitate cam în curs de brevetare, care este un pachet rotativ de fire de memorie de formă utilizate pentru a amplifica puterea de răcire. Dispozitivul ar putea funcționa ca o pompă de căldură, un aparat de aer condiționat sau chiar un frigider, toate fără agenți frigorifici nocivi pentru mediu. Fundația Germană de cercetare finanțează proiectul din 2016, Comisia Europeană și Departamentul Energiei din SUA considerând că este o tehnologie alternativă promițătoare la sistemele de refrigerare existente cu compresie de vapori.
pentru startup-ul cu tehnologie curată Blue Frontier, energia regenerabilă este esențială pentru un sistem de răcire mai eficient. Compania a început în Florida în 2013 ca Be Power Tech, care a dezvoltat un aparat de aer condiționat care și-a produs propria energie electrică folosind o celulă de combustibil cu gaze naturale. Dar CEO-ul Daniel Betts a constatat că piața tehnologiei era limitată la clădirile alimentate cu gaze naturale, iar celulele de combustibil erau prea scumpe pentru adoptarea timpurie a pieței.
Betts a colaborat apoi cu ingineri de la Laboratorul Național de energie regenerabilă pentru a reproiecta sistemul. Rezultatul a fost un aparat de aer condiționat cu stocare termochimică a energiei clorurii de litiu, care stochează o soluție de sare cu concentrație ridicată și o transformă în energie chimică pentru utilizare ulterioară. „Generarea de energie solară crește pe tot parcursul dimineții și scade începând cu după-amiaza devreme”, spune Betts. „Sarcina electrică din clădiri tinde să atingă un vârf la începutul până la sfârșitul după-amiezii, ceea ce duce la o nepotrivire între generație și consum.”Aparatul de aer condiționat Blue Frontier este echipat cu capacitatea de a stoca energia de răcire, astfel încât utilizează electricitate numai în timpul producției maxime de energie solară. „Cu tehnologia noastră”, spune Betts, ” putem consuma energie electrică numai atunci când nu există congestie în rețea și când energia regenerabilă este o parte mai mare a mixului de energie electrică.”
între timp, SkyCool Systems din California a apelat la cerul nopții pentru tehnologia sa de răcire. Fondată în 2016, startup-ul își are originea la Universitatea Stanford și de atunci a strâns 990.000 de dolari în finanțare din subvenții oferite de Fondul StartX al Universității și Agenția de proiecte de Cercetare Avansată a Departamentului Energiei din SUA.
pentru a înțelege cum funcționează tehnologia de răcire SkyCool Systems, luați în considerare orice material orientat spre cer noaptea. „Dacă se uită în sus la cer, ar trimite în mod natural căldura sa ca ceva numit radiație termică”, spune omul de știință și co-fondatorul Aaswath Raman. „Când această radiație termică este trimisă pe cer, o parte din ea scapă în spațiu. Din această cauză, orice suprafață orientată spre cer noaptea se va răci în mod natural până la temperatura aerului.”
imitarea acestui fenomen natural în timpul zilei se dovedește mai dificilă. „Soarele va încălzi în mod natural orice material — suficient pentru a contracara acest efect de răcire”, spune Raman. „Avem nevoie de un material care reflectă foarte bine lumina soarelui, dar continuă să trimită căldură. Când aveți aceste două lucruri împreună, puteți activa acest efect și în timpul zilei. Acest lucru devine convingător pentru că atunci aveți acces la răcire pasivă gratuită în mijlocul zilei, care este atunci când avem nevoie cel mai mult de răcire.”
„economiile de energie țintă și reducerea cererii ar putea fi oriunde între 10% și 30%.”
SkyCool Systems a dezvoltat panouri argintii care arată ca panouri solare, dar sunt în schimb acoperite într-un film optic care transformă căldura într-o gamă de lungimi de undă în infraroșu mediu pentru a aluneca prin atmosferă și a fi aruncate în spațiu, reflectând în același timp lumina soarelui. Panourile companiei sunt în prezent instalate în cinci locații, inclusiv o clădire de birouri și un magazin, și sunt integrate cu sistemele de răcire existente, cum ar fi răcitoare, congelatoare, mașini de gheață și sisteme de aer condiționat.
inginerul și co-fondatorul Eli Goldstein spune că beneficiile panourilor de răcire SkyCool Systems sunt triple. „Una este economiile de energie, alta este reducerea cererii, iar a treia este creșterea capacității de răcire a unui sistem”, spune el. „Economiile de energie țintă și reducerea cererii ar putea fi oriunde între 10% și 30%.”
mai mult, mecanismul de răcire nu necesită energie sau apă. „Este efectiv pasiv în forma sa de răcire, deci nu folosește energie și apă”, spune Goldstein. „Nu există pierderi de apă prin evaporare pentru a genera această răcire, deci este o abordare mult mai durabilă.”
aceste tehnologii de răcire nu sunt lipsite de provocările lor. SkyCool Systems încearcă să se extindă cât mai repede posibil pentru a ține pasul cu cererea pieței și, deși tehnologia Blue Frontier a fost dovedită prin diverse prototipuri, compania trebuie să stabilească în continuare producția în masă și studiile pe teren.
s-ar putea să nu fi ajuns încă la adoptarea pe scară largă, dar aceste inovații deschid calea pentru un viitor mai rece și mai eficient din punct de vedere energetic. Blue Frontier intenționează să se îndrepte spre un model „aer condiționat ca serviciu”, în timp ce SkyCool Systems prevede înlocuirea sistemelor de aer condiționat cu panourile sale.
„răcirea este importantă pentru viața noastră de zi cu zi”, spune Goldstein. „Trebuie să lucrăm împreună pentru a obține sisteme mai eficiente și pentru a le rula într-un mod durabil.”
