Technologia klimatyzacji to wielka stracona szansa w walce ze zmianami klimatu

Siergiej Akulicz / Pexels

Gdy rekordowe fale upałów spaliły Kalifornijczyków w zeszłym miesiącu, zbiorowe obciążenie milionów klimatyzatorów zmusiło operatorów sieci stanowych do pogrążenia setek tysięcy gospodarstw domowych w ciemności.

Ciągłe przerwy w dostawie prądu były tylko małą wskazówką tego, co prawdopodobnie nadejdzie w Kalifornii i daleko poza nią. Rosnąca populacja, rosnące dochody, postępująca urbanizacja i rosnące temperatury latem mogą do połowy stulecia potroić liczbę urządzeń klimatyzacyjnych zainstalowanych na całym świecie, podnosząc całkowitą liczbę do 6 miliardów. Międzynarodowa Agencja Energetyczna Raport Future of Cooling.

Rzeczywiście, klimatyzacja stanowi jedno z najbardziej podstępnych wyzwań związanych ze zmianą klimatu i jeden z najtrudniejszych problemów technologicznych do naprawienia. Im bardziej świat się ociepli, tym bardziej będziemy potrzebować chłodzenia – nie tylko dla wygody, ale dla zdrowia oraz przetrwanie w dużej części świata.

Ale same klimatyzatory wytwarzają wystarczającą ilość ciepła, aby wymiernie podnieść temperaturę w mieście, a także wydzielają bardzo silne gazy cieplarniane. Ponadto te miliardy energochłonnych nowych jednostek stworzą jedno z największych źródeł rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną na całym świecie.

Bez większych ulepszeń, zapotrzebowanie na energię z chłodzenia również potroi się, osiągając 6200 terawatogodzin do 2050 r., czyli prawie jedną czwartą całkowitego światowego zużycia energii elektrycznej dzisiaj.

Kalifornijska Dolina Śmierci mogła osiągnąć najwyższe temperatury, jakie kiedykolwiek niezawodnie zarejestrowano, pośród upałów w zeszłym miesiącu.

ZDJĘCIE AP / JOHN LOCHER

Pomimo ogromu narastających wyzwań, do sektora napływało stosunkowo niewiele środków i niewiele znaczących postępów w zakresie produktów na rynku. Oprócz powolnego wzrostu wydajności, podstawowa technologia działa tak samo jak wtedy, gdy został wprowadzony prawie sto lat temu.

Fakt, że zużycie prądu przez okno stale rośnie, podczas gdy produkt w dużej mierze wygląda i działa tak samo jak od dziesięcioleci, mówi sam za siebie, mówi Vince Romanin, dyrektor naczelny Treau z siedzibą w San Francisco, startupu zajmującego się chłodzeniem typu stealth, który opracowuje nowatorski rodzaj ogrzewania. pompa. Myślę, że wielu ludzi jest podekscytowanych czymś nowym, ale postęp był tylko stopniowy.

W ostatnich dziesięcioleciach nastąpiła znacznie większa poprawa kosztów i wydajności w innych technologiach energetycznych — takich jak panele słoneczne, baterie i pojazdy elektryczne — napędzana przez politykę publiczną, specjalne wysiłki badawcze i rosnące zapotrzebowanie na czystsze alternatywy. Treau jest jednym z wielu startupów i grup badawczych, które próbują obecnie różnych sposobów osiągnięcia podobnych postępów w dziedzinie chłodzenia.

Ale nawet jeśli globalne zapasy jednostek klimatyzacyjnych staną się znacznie bardziej wydajne, przewidywane skoki w zużyciu są tak duże, że globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną nadal będzie rosło. To skomplikuje i tak już oszałamiające zadanie oczyszczenia światowych sektorów energetycznych. Oznacza to, że narody muszą nie tylko remontować istniejącą infrastrukturę elektroenergetyczną; muszą budować znacznie większe systemy, niż kiedykolwiek istniały – i to wszystko robić ze źródeł bezemisyjnych.

Miliardy nowych klimatyzatorów

Nieustanne chłodzenie ogromnych ilości gorącego powietrza wypełniającego domy, biura i fabryki jest i zawsze będzie ogromnym pożeraczem energii.

Problem nie polega tylko na tym, że więcej klimatyzatorów będzie wymagało coraz więcej energii elektrycznej do ich zasilania. Chodzi również o to, że szczególnie zwiększą ilość, która jest potrzebna w godzinach szczytu, kiedy temperatury naprawdę się pieką, a wszyscy w tym samym czasie podkręcają klimatyzację. Oznacza to, że musimy przebudować systemy elektroenergetyczne, aby sprostać poziomom zapotrzebowania, które mogą występować tylko przez kilka godzin lub kilka dni w roku.

W hrabstwie Los Angeles rosnące temperatury w połączeniu ze wzrostem liczby ludności mogą zwiększyć zapotrzebowanie na energię elektryczną w godzinach szczytu w okresie letnim nawet o 51% do 2060 r. w scenariuszu wysokiej emisji, według Badanie Energii Stosowanej 2019 przez naukowców ze stanu Arizona i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles.

To daje około 6,5 dodatkowych gigawatów, które operatorzy sieci musieliby natychmiast podłączyć do sieci, lub natychmiastową moc prawie 20 milionów 300-watowych paneli słonecznych w słoneczny dzień.

I to tylko dla jednego z 58 hrabstw Kalifornii. Świat odnotuje znacznie większy wzrost popytu na prąd przemienny w krajach, w których klasa średnia szybko się rozwija i gdzie fale upałów staną się bardziej powszechne i dotkliwe. Warto zauważyć, że MAE przewiduje, że Indie zainstalują kolejne 1,1 miliarda jednostek do 2050 r., zwiększając udział prądu przemiennego w szczytowym zapotrzebowaniu na energię elektryczną w kraju z 10% do 45%.

Czyszczenie siatki

Najważniejsza poprawka musi nastąpić poza branżą AC. Przejście całej sieci elektrycznej na większe wykorzystanie czystych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, będzie stale zmniejszać pośrednie emisje gazów cieplarnianych z energii wykorzystywanej do zasilania klimatyzatorów.

Ponadto rozwój coraz bardziej inteligentnych sieci może pomóc systemom elektroenergetycznym radzić sobie ze szczytowymi obciążeniami prądu przemiennego. Wiąże się to z dodawaniem czujników, systemów sterowania i oprogramowania, które mogą automatycznie zmniejszać zużycie wraz ze spadkiem temperatury na zewnątrz, gdy ludzie opuszczają przestrzeń na dłuższy czas lub gdy zapotrzebowanie zaczyna rosnąć w stosunku do dostępnej generacji.

Świat może również ograniczyć bezpośrednie emisje z AC, przechodząc na alternatywne czynniki chłodnicze, kluczowe związki w urządzeniach chłodzących, które pochłaniają ciepło z powietrza. Producenci w dużej mierze polegają na wodorofluorowęglowodorach, które są bardzo silnymi gazami cieplarnianymi, które mogą wydostawać się na zewnątrz podczas produkcji i naprawy lub po zakończeniu eksploatacji urządzenia. Ale w ramach nowelizacji protokołu montrealskiego z 2016 r. , firmy i kraje muszą coraz częściej wybierać opcje o mniejszym wpływie na ocieplenie, takie jak klasa obiecujących związków znanych jako HFO, niektóre węglowodory, takie jak propan, a nawet dwutlenek węgla (który ma przynajmniej mniejszy wpływ na ocieplenie niż istniejące czynniki chłodnicze).

Alternatywne czynniki chłodnicze mogą zmniejszyć emisje o równowartość około 50 miliardów ton dwutlenku węgla w nadchodzących dziesięcioleciach, zgodnie z wysokiej klasy szacunkami z analizy wypłaty projektu . (W ubiegłym roku świat wyemitował łącznie prawie 37 miliardów ton, według Global Carbon Project .)

Istnieją również jasne sposoby na zmniejszenie obciążenia elektrycznego wymaganego do chłodzenia budynków, w tym dodawanie izolacji, uszczelnianie przecieków powietrza, instalowanie zasłon okiennych lub folii oraz nakładanie odblaskowych kolorów lub materiałów na dachy. Stworzenie takich chłodnych dachów w 80% budynków komercyjnych w kraju może zmniejszyć roczne zużycie energii o ponad 10 terawatogodzin i zaoszczędzić ponad 700 milionów dolarów, według wcześniejsze badanie przeprowadzone przez Lawrence Berkeley National Lab .

Unikanie „zimnego chrupania”

Ostatecznie jednak rosnąca liczba jednostek klimatyzacyjnych działających w domach i budynkach na całym świecie musi stać się znacznie bardziej energooszczędna, aby uniknąć tak zwanego nadchodzącego zimnego kryzysu.

Jednym z najpotężniejszych narzędzi wprowadzania tych ulepszeń jest polityka publiczna. IEA zauważa, że ​​najlepsza dostępna technologia jest ponad dwa razy wydajniejsza niż średnia tego, co jest faktycznie używane na całym świecie i trzy razy lepsza niż najbardziej nieefektywne produkty na rynku.

Problem polega na tym, że większość ludzi i firm nie będzie płacić dużo więcej za bardziej wydajne systemy tylko po to, aby pomóc osiągnąć globalne cele klimatyczne, szczególnie w biednych częściach świata. Jednak dzięki mandatom, zachętom lub subsydiom państwa mogą pomóc w zapewnieniu, że więcej produkowanych i sprzedawanych jednostek to modele o wyższej wydajności.

Przewidywany wzrost zużycia energii związanej z chłodzeniem zmniejsza się o 45% do połowy stulecia w scenariuszu IEA, który obejmuje takie polityki (i nie zakłada żadnych postępów technologicznych).

Jednak nawet wtedy zapotrzebowanie na energię prądu przemiennego i tak skoczyłoby o około 70% w górę do połowy stulecia. To bije potrojenie. Jednak osiągnięcie znaczących dodatkowych zysków może wymagać bardziej radykalnych zmian.

Radykalna zmiana

Wiele startupów stara się iść dalej.

Transaera, której współzałożycielem jest profesor energii MIT Mircea Dincă, stara się znacznie poprawić wydajność, zajmując się wilgocią w powietrzu jako osobnym etapem.

Oprócz chłodzenia otaczającego powietrza, konwencjonalne klimatyzatory muszą poświęcać ogromne ilości energii na radzenie sobie z tą parą wodną, ​​która zatrzymuje znaczne ciepło i sprawia, że ​​jest to znacznie bardziej niekomfortowe. Wymaga to obniżenia temperatury znacznie powyżej wskazań na tarczy, aby zamienić parę w ciecz i usunąć ją z powietrza.

To po prostu niewiarygodnie nieefektywne” – mówi Dincă. „To dużo energii i jest niepotrzebne,

Podejście Transaera opiera się na klasie wysoce porowatych materiałów znanych jako struktury metaloorganiczne, które można dostosować do wychwytywania i przywierania do określonych związków, w tym wody. Firma opracowała przystawkę do systemów klimatyzacyjnych, która wykorzystuje te materiały do ​​zmniejszenia wilgotności powietrza, zanim trafi ono do standardowej jednostki. Szacuje, że może to poprawić ogólną efektywność energetyczną o ponad 25%.

Transaera jest finalistą konkursu Nagroda za globalne chłodzenie w wysokości 3 milionów dolarów , konkurs mający na celu przyspieszenie postępów w dziedzinie klimatyzacji w celu zmniejszenia wpływu na klimat. Firma obecnie testuje prototypy w Indiach we współpracy z oddziałem chińskiego giganta AGD Haier .

Tymczasem firma SkyCool Systems z Mountain View w Kalifornii opracowała zasadniczo zaawansowane technologicznie lustra, które może rzucać ciepło w zimne przestrzenie? , wykorzystując naturalne zjawisko zwane chłodzeniem radiacyjnym.

Materiały są zaprojektowane tak, aby emitować promieniowanie w wąskim paśmie widma światła, które może prześlizgiwać się obok cząsteczek wody i innych związków atmosferycznych, które w przeciwnym razie emitują ciepło z powrotem w kierunku planety.

Umieszczone na dachach materiały mogą zastąpić lub wzmocnić tradycyjne systemy chłodzenia budynków. Firma szacuje, że technologia może zmniejszyć zużycie energii do chłodzenia konstrukcji o 10 do 70%, w zależności od konfiguracji i klimatu. SkyCool jest w trakcie instalacji materiałów w swojej czwartej komercyjnej lokalizacji.

Inne startupy badają pomysły, takie jak geotermalne pompy ciepła , technologia półprzewodnikowa, która eliminuje potrzebę stosowania gazów chłodniczych , oraz nowe zwroty akcji w chłodzeniu wyparnym , który zwykle polega na nasączonych wodą padach w celu obniżenia temperatury powietrza.

Dobrą wiadomością jest to, że na ogrzewanie, wentylację i klimatyzację zaczynają napływać pieniądze. Firma badawcza CB Insights prześledziła zaledwie osiem transakcji finansowych o wartości prawie 40 milionów dolarów w 2015 roku, ale 35 o łącznej wartości około 350 milionów dolarów w zeszłym roku. (Obejmuje to pożyczki, inwestycje venture capital i przejęcia). W tym roku było już 39 transakcji o wartości około 200 milionów dolarów.

Ale zła wiadomość jest taka, że ​​zwiększony poziom finansowania jest niewielki w porównaniu z dziesiątkami miliardów napływających do innych sektorów energii i technologii – i niewielki w porównaniu ze skalą przyszłych problemów.

Ta historia została zaktualizowana, aby dodać aktualne informacje o SkyCool Systems i poprawić miasto, w którym się teraz znajduje.

ukryć