Появление целого ряда новых материалов может в скором времени привести к созданию более эффективных систем кондиционирования, которые не будут перегружать электросети в самые жаркие дни.
Поскольку экстремальная жара продолжает бить рекорды по всему миру, ожидается, что потребность в электроэнергии для кондиционирования резко возрастет. По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency), в ближайшие десятилетия это потребление может вырасти примерно на 4000 тераватт-часов в период с 2016 по 2050 год. Это эквивалентно объему электроэнергии, который потребляла вся энергосистема США в 2022 году (см. EIA).
Вот почему гонка за созданием более энергоэффективных кондиционеров стала критически важной. Некоторые компании сосредоточены на усовершенствовании существующих конструкций, в то время как другие обращаются к совершенно новым системам, использующим так называемые осушители (десиканты). Эти системы потенциально могут охлаждать помещения с гораздо большей эффективностью, даже при сильной жаре и влажности, снижая нагрузку на энергетическую инфраструктуру.
Стандартный кондиционер охлаждает помещения, прогоняя хладагент по циклу через теплообменники, поглощая тепло изнутри и выбрасывая его наружу. (Тепловые насосы работают по тому же принципу, работая либо в обратном направлении, либо в реверсивных системах, обеспечивающих как обогрев, так и охлаждение).
Этот подход, известный как парокомпрессионное охлаждение, существует уже более столетия, и базовая схема практически не менялась с момента изобретения, отмечает Анкит Каланки, менеджер программы безуглеродного строительства в некоммерческом аналитическом центре Rocky Mountain Institute. Прокачка хладагента и его сжатие для вывода тепла наружу требует значительного количества энергии, особенно когда наружная температура очень высока.
Парокомпрессионные системы обрабатывают влажность и температуру одновременно, что является еще одним недостатком. Поддержание комфортного микроклимата во многом зависит от низкого уровня влажности, однако для удаления влаги кондиционерам необходимо охлаждать воздух. Без специализированной системы для борьбы с влажностью, по словам Каланки, помещения часто «переохлаждаются», что создает дополнительное огромную энергоемкость.
Системы, которые разделяют задачи осушения и охлаждения, могут поддерживать комфортную температуру с меньшими затратами энергии и обеспечивать большую гибкость в различных условиях. И все большее число стартапов нацелены на использование десикантов для достижения этой цели.
Суть вопроса
Десиканты — это материалы, которые поглощают влагу. Силикагелевые шарики в маленьких пакетиках, которые вы находите рядом с новыми сумками и обувью, являются одним из типов осушителей. Их задача — сохранять продукцию сухой во время транспортировки.
Другие типы десикантов могут быть интегрированы в существующие конструкции кондиционеров, поглощая водяной пар из воздуха и тем самым снижая энергозатраты, необходимые для поддержания комфорта в помещениях. Компания Transaera, выросшая из MIT и основанная в 2018 году, разрабатывает гибридную систему, использующую материал под названием металлоорганические каркасы (MOF). По словам генерального директора Transaera Сорина Грамы, интеграция этих материалов в кондиционеры на основе парокомпрессионного цикла может позволить их системе потреблять на 35% меньше энергии, чем у среднестатистических моделей.
Но есть и компании, стремящиеся использовать десиканты в системах охлаждения, которые полностью заменят традиционные кондиционеры. Например, стартап из Флориды Blue Frontier строит системы охлаждения, используя жидкие десиканты. Ключевой компонент отличается от силикагелевых шариков в упаковке обуви, но сравнение часто встречается: «Мы это слышим постоянно», — говорит Мэтт Тилгман, соучредитель и технический директор компании.
Вместо мелких силикагелевых шариков технология охлаждения Blue Frontier основана на солевом растворе, настолько концентрированном, что он способен вытягивать влагу из воздуха.
Вот как работает система охлаждения Blue Frontier: сначала поток воздуха проходит через канал, омывая тонкий слой десиканта, который удаляет влагу. Затем, уже сухой воздух проходит стадию испарительного охлаждения, снижая свою температуру (по сути, так же, как пот охлаждает вашу кожу).
На этапе испарительного охлаждения воздух делится на два потока. Один проходит мимо тонкого водяного слоя, поглощая энергию и понижая температуру воздуха. Этот более холодный и влажный воздух используется для охлаждения металлической поверхности, которая, в свою очередь, отводит тепло от другого потока, остающегося сухим. Влажный воздух выводится наружу, а прохладный и сухой — подается в помещение.
Испарение — очень эффективный метод охлаждения, который используется в недорогих устройствах, называемых воздухоохладителями (также известных как адиабатические охладители), которые могут потреблять на 80% меньше электроэнергии, чем стандартные кондиционеры. Эти устройства обычно насыщают воздух влагой для его охлаждения, что работает только при изначальной сухости воздуха, поэтому их применение в основном ограничивается засушливыми районами, например, на юго-западе США.
По словам Тилгмана, за счет сочетания испарительного охлаждения с десикантами система Blue Frontier способна работать практически в любом климате. Параметры ее работы можно настраивать в ответ на изменения погоды или заданного значения термостата, меняя баланс между охлаждением и осушением, что может способствовать дальнейшему росту эффективности. Подход компании должен позволить сократить годовое потребление электроэнергии на 50–80% по сравнению с традиционными системами кондиционирования, в зависимости от условий.
Хрупкий лед
Жидкие десиканты сегодня иногда применяются для осушения складов или промышленных предприятий, где требуется строгий контроль влажности, например, в фармацевтике или производстве электроники. Однако их широкое использование в системах охлаждения блокировалось отчасти из-за их высокой стоимости. Один из отраслевых стандартов, хлорид лития, столкнулся с ростом цен и ограничениями поставок из-за высокого спроса на него в производстве литий-ионных аккумуляторов. Эти материалы также могут вызывать коррозию. (По словам Тилгмана, Blue Frontier использует новый десикант, который должен помочь решить эти проблемы).
Одним из самых серьезных препятствий на пути широкого внедрения десикантного охлаждения была необходимость в эффективном методе регенерации материалов. Десиканты сродни губкам: они могут впитывать ограниченное количество воды, прежде чем их придется «отжимать», то есть регенерировать (восстанавливать).
Таким образом, помимо секций сушки и охлаждения воздуха, система десикантного охлаждения нуждается в блоке для регенерации десиканта, высвобождающего поглощенную воду в другой поток воздуха, который затем выводится наружу.
Большинство осушителей можно регенерировать путем нагрева, что высвобождает воду из материала, но этот этап может быть энергоемким и часто требует использования бойлерных систем, работающих на ископаемом топливе.
Вместо этого Blue Frontier использует тепловой насос для регенерации своего десиканта. Тепловой насос, конечно, добавляет потребление энергии, но, в то время как система охлаждения может работать непрерывно в жаркий летний день, систему регенерации можно запускать вечером или ночью, когда нагрузка на сеть ниже, а тарифы на электроэнергию дешевле, поясняет Тилгман. Компенсация затрат на регенерацию позволит системе Blue Frontier снизить пиковую потребность в электроэнергии на 80–90%.
Другие стартапы пытаются полностью избежать необходимости в нагреве. Компания Zephyr из Бостона надеется использовать мембранные технологии для фильтрации воды из жидких десикантов, чтобы восстанавливать их, по аналогии с процессом обессоливания воды на установках опреснения.
В июле Zephyr продемонстрировала части своей системы и планирует собрать полномасштабный лабораторный прототип системы охлаждения до конца текущего года. По словам соучредителя и технического директора Zephyr Джейкоба Миллера, их устройство десикантного охлаждения сможет потреблять примерно на 45% меньше электроэнергии, чем самые передовые парокомпрессионные кондиционеры на рынке сегодня.
Blue Frontier уже запустила две демонстрационные системы охлаждения — одну во Флориде и одну в Канаде — и планирует установить несколько десятков дополнительных систем в конце 2023 и 2024 годах, сообщает Тилгман.
Обе компании в первую очередь фокусируются на системах для крупных коммерческих зданий, но в перспективе эти технологии могут быть адаптированы для частных домов и даже отдельных квартир, считает Тилгман. Он отмечает, что первые системы Blue Frontier будут дороже существующих кондиционеров, однако затраты окупятся за счет экономии энергии в течение трех-пяти лет.
Доступ к эффективным технологиям охлаждения может стать решающим фактором, который позволит большему числу людей жить и работать в безопасных условиях, не доводя энергосистемы до предела. «Если посмотреть на потепление планеты и темпы роста температур, людям необходим доступ к охлаждению», — заключает Каланки. «Это уже не просто вопрос теплового комфорта или продуктивности, это, прежде всего, вопрос социальной справедливости».
