Ale same klimatyzatory wytwarzają wystarczająco dużo ciepła, aby wymiernie podnieść temperatury w miastach, a także powodują wyciek silnie działających gazów cieplarnianych. Dodatkowo, te miliardy głodnych energii 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 6,200 terawatogodzin do 2050 roku- lub prawie jedną czwartą całkowitego zużycia energii elektrycznej na świecie dzisiaj.
Pomimo skali narastających wyzwań, do sektora napłynęło stosunkowo niewiele środków finansowych, a na rynku pojawiło się niewiele godnych uwagi postępów w zakresie produktów. Poza powolnym wzrostem wydajności, podstawowa technologia działa tak samo, jak wtedy, gdy została wprowadzona prawie sto lat temu.
„Fakt, że wykorzystanie okiennych systemów klimatyzacji wciąż rośnie, podczas gdy produkt w dużej mierze wygląda i działa tak samo, jak przez dziesięciolecia, mówi sam za siebie”, mówi Vince Romanin, dyrektor generalny Treau z siedzibą w San Francisco, startupu zajmującego się chłodzeniem, który opracowuje nowy typ pompy ciepła. „Myślę, że wielu ludzi jest podekscytowanych czymś nowym, ale postęp jest niewielki.”
W ostatnich dekadach nastąpiła znacznie większa poprawa kosztów i wydajności w innych technologiach energetycznych, takich jak panele słoneczne, baterie i pojazdy elektryczne, napędzana przez politykę publiczną, dedykowane wysiłki badawcze i rosnący popyt na czystsze alternatywy. Treau jest jednym z wielu startupów i grup badawczych, które obecnie próbują różnych sposobów na osiągnięcie podobnego postępu w dziedzinie chłodzenia.
Ale nawet jeśli globalne zasoby jednostek AC staną się znacznie bardziej wydajne, przewidywane skoki w użyciu są tak duże, że globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną nadal będzie gwałtownie rosnąć. To skomplikuje i tak już trudne zadanie uporządkowania światowych sektorów energetycznych. Oznacza to, że narody nie tylko muszą odnowić istniejącą infrastrukturę elektryczną; muszą zbudować znacznie większe systemy niż kiedykolwiek istniały – i zrobić to wszystko ze źródeł wolnych od węgla.
Miliardy nowych klimatyzatorów
Ciągłe chłodzenie ogromnych ilości gorącego powietrza, które wypełnia domy, biura i fabryki, jest i zawsze będzie ogromnym pochłaniaczem energii.
Problem polega nie tylko na tym, że więcej klimatyzatorów będzie wymagało coraz więcej energii elektrycznej do ich zasilania. Chodzi również o to, że będą one szczególnie zwiększać ilość energii potrzebnej w godzinach szczytu, kiedy temperatury są naprawdę wysokie i wszyscy jednocześnie podkręcają swoje klimatyzatory. Oznacza to, że musimy nadmiernie rozbudować systemy elektroenergetyczne, aby sprostać poziomom zapotrzebowania, które mogą wystąpić tylko przez kilka godzin w ciągu kilku dni w roku.
W hrabstwie Los Angeles rosnące temperatury w połączeniu ze wzrostem liczby ludności mogą zwiększyć zapotrzebowanie na energię elektryczną w godzinach szczytu letniego aż o 51% do 2060 r. przy scenariuszu wysokoemisyjnym, zgodnie z badaniem Applied Energy z 2019 r. przeprowadzonym przez naukowców z Arizona State i University of California w Los Angeles.
To dodaje się do około 6,5 dodatkowych gigawatów, które operatorzy sieci musieliby być w stanie wprowadzić do sieci na raz, lub natychmiastowej produkcji prawie 20 milionów 300-watowych paneli słonecznych w słoneczny dzień.
A to tylko dla jednego z 58 hrabstw Kalifornii. Na świecie nastąpi znacznie większy wzrost zapotrzebowania na prąd zmienny w krajach, w których klasa średnia szybko się rozwija i gdzie fale upałów będą coraz częstsze i bardziej dotkliwe. W szczególności IEA przewiduje, że Indie zainstalują kolejne 1,1 miliarda jednostek do 2050 roku, zwiększając udział systemów AC w krajowym szczytowym zapotrzebowaniu na energię elektryczną z 10% do 45%.
Oczyszczenie sieci
Najważniejsza naprawa musi mieć miejsce poza branżą AC. Przejście sieci elektrycznej jako całości na większe wykorzystanie czystych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, stopniowo zmniejszy pośrednią emisję gazów cieplarnianych pochodzących z energii wykorzystywanej do zasilania urządzeń klimatyzacyjnych.
Opracowanie coraz bardziej inteligentnych sieci mogłoby pomóc systemom elektrycznym w radzeniu sobie z obciążeniami szczytowego zapotrzebowania związanymi z klimatyzacją. Wiąże się to z dodaniem czujników, systemów kontroli i oprogramowania, które mogą automatycznie zmniejszyć zużycie energii, gdy temperatura na zewnątrz spada, gdy ludzie opuszczają pomieszczenia na dłuższy czas lub gdy popyt zaczyna się zderzać z dostępnym wytwarzaniem energii.
Świat może również zmniejszyć bezpośrednią emisję z klimatyzacji poprzez przejście na alternatywne czynniki chłodnicze, krytyczne związki w urządzeniach chłodzących, które absorbują ciepło z powietrza. Producenci w dużej mierze polegali na wodorofluorowęglowodorach, które są bardzo silnymi gazami cieplarnianymi, które mogą wyciekać podczas produkcji i naprawy lub pod koniec życia urządzenia. Ale zgodnie z poprawką do Protokołu Montrealskiego z 2016 r. firmy i kraje muszą w coraz większym stopniu przechodzić na opcje o niższym wpływie na ocieplenie, takie jak klasa obiecujących związków znanych jako HFO, niektóre węglowodory, takie jak propan, a nawet dwutlenek węgla (który przynajmniej ma mniejszy wpływ na ocieplenie niż istniejące czynniki chłodnicze).
Alternatywne czynniki chłodnicze mogłyby zmniejszyć emisje o równowartość około 50 miliardów ton dwutlenku węgla w nadchodzących dziesięcioleciach, zgodnie z najwyższymi szacunkami z analizy Project Drawdown. (Świat wyemitował prawie 37 miliardów ton w zeszłym roku, według Global Carbon Project.)
Istnieją również wyraźne sposoby na złagodzenie obciążeń elektrycznych wymaganych do chłodzenia budynków, w tym dodanie izolacji, uszczelnienie przecieków powietrza, zainstalowanie pokryć okiennych lub folii oraz zastosowanie kolorów lub materiałów odbijających światło na dachach. Stworzenie takich „chłodnych dachów” na 80% budynków komercyjnych w kraju mogłoby zmniejszyć roczne zużycie energii o ponad 10 terawatogodzin i zaoszczędzić ponad 700 milionów dolarów, zgodnie z wcześniejszymi badaniami Lawrence Berkeley National Lab.
Unikanie „zimnego kryzysu”
Ale ostatecznie, rosnąca liczba urządzeń klimatyzacyjnych działających w domach i budynkach na całym świecie musi stać się znacznie bardziej wydajna energetycznie, aby uniknąć tego, co jest znane jako nadchodzący „zimny kryzys.”
Jednym z najpotężniejszych narzędzi do wprowadzenia tych ulepszeń jest polityka publiczna. IEA zauważa, że najlepsza dostępna technologia jest ponad dwa razy bardziej wydajna niż średnia tego, co jest obecnie używane na całym świecie, i trzy razy lepsza niż najbardziej nieefektywne produkty na rynku.
Problem polega na tym, że większość ludzi i firm nie zamierza płacić dużo więcej za bardziej wydajne systemy tylko po to, aby pomóc w osiągnięciu globalnych celów klimatycznych, szczególnie w biednych częściach świata. Jednak dzięki mandatom, zachętom lub subsydiom, kraje mogą zapewnić, że więcej urządzeń produkowanych i sprzedawanych będzie modelami o wyższej wydajności.
Przewidywany wzrost zużycia energii związanej z chłodzeniem zmniejszy się o 45% do połowy wieku według scenariusza IEA, który uwzględnia taką politykę (i nie zakłada żadnego postępu technologicznego).
Nawet wtedy jednak, zapotrzebowanie na energię AC nadal będzie o 70% wyższe do połowy wieku. To bije na głowę potrojenie. Ale osiągnięcie znaczących dodatkowych zysków może wymagać bardziej radykalnych zmian.
Radykalna zmiana
Kilka startupów próbuje pchnąć sprawy dalej.
Transaera, której współzałożycielem jest profesor energetyki MIT Mircea Dincă, próbuje znacząco poprawić wydajność poprzez zajęcie się wilgotnością powietrza jako oddzielnym krokiem.
Oprócz chłodzenia powietrza, konwencjonalne urządzenia AC muszą poświęcać ogromne ilości energii na radzenie sobie z parą wodną, która zatrzymuje znaczne ilości ciepła i sprawia, że czujemy się o wiele bardziej niekomfortowo. Wymaga to obniżenia temperatury znacznie powyżej wartości wskazywanej przez zegar, w celu przekształcenia pary wodnej w ciecz i usunięcia jej z powietrza.
„To jest po prostu niewiarygodnie nieefektywne” – mówi Dincă. „To dużo energii i jest niepotrzebne”
Podejście firmy Transaera opiera się na klasie wysoce porowatych materiałów znanych jako metaloorganiczne struktury, które mogą być dostosowane do przechwytywania i przylegania do konkretnych związków, w tym wody. Firma opracowała przystawkę do systemów klimatyzacji, która wykorzystuje te materiały do zmniejszenia wilgotności powietrza, zanim trafi ono do standardowej jednostki. Szacuje on, że może to poprawić ogólną wydajność energetyczną o ponad 25%.
Transaera jest finalistą konkursu Global Cooling Prize o wartości 3 milionów dolarów, którego celem jest 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.
W międzyczasie firma SkyCool Systems z Mountain View w Kalifornii opracowała zasadniczo zaawansowane technologicznie lustra, które mogą rzucać ciepło na zimne przestrzenie kosmosu, wykorzystując naturalne zjawisko znane jako chłodzenie radiacyjne.
Materiały zostały zaprojektowane tak, aby emitowały promieniowanie w wąskim paśmie widma światła, które może ominąć cząsteczki wody i inne związki atmosferyczne, które w przeciwnym razie wypromieniowują ciepło z powrotem w kierunku planety.
Umieszczone na dachach, materiały mogą zastąpić lub wzmocnić tradycyjne systemy chłodzenia budynków. Firma szacuje, że technologia ta może zmniejszyć ilość energii zużywanej do chłodzenia konstrukcji o 10 do 70%, w zależności od konfiguracji i klimatu. SkyCool jest w trakcie instalacji materiałów w swoim czwartym komercyjnym miejscu.
Inne startupy badają pomysły takie jak geotermalne pompy ciepła, technologia półprzewodnikowa, która pozwala uniknąć potrzeby stosowania gazów chłodniczych oraz nowe zwroty w chłodzeniu wyparnym, które zazwyczaj opiera się na nasączonych wodą podkładkach w celu obniżenia temperatury powietrza.
Dobrą wiadomością jest to, że pewne pieniądze zaczynają napływać do branży ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji. Firma badawcza CB Insights śledziła tylko osiem transakcji finansowych o wartości prawie 40 milionów dolarów w 2015 roku, ale 35 w sumie około 350 milionów dolarów w zeszłym roku. (Obejmuje to pożyczki, inwestycje venture capital i przejęcia.) I było już 39 transakcji o wartości około 200 milionów dolarów w tym roku.
Ale złą wiadomością jest to, że zwiększony poziom finansowania jest niewielki w porównaniu z dziesiątkami miliardów wlewających się do innych sektorów energetycznych i technologicznych – i niewielki w stosunku do skali problemów, które nadejdą.
Ta historia została zaktualizowana, aby dodać aktualne informacje o SkyCool Systems i poprawić miasto, w którym ma teraz siedzibę.
Zaloguj sięZapisz się teraz
.