Кондиціонери без фреону можуть змінити ринок охолодження, але вчені мають сумніви

Після кількох років рекордної спеки потреба в кондиціонуванні повітря лише зростає. За прогнозом Міжнародного енергетичного агентства (IEA), до 2050 року кількість кондиціонерів у світі може потроїтися. Про це пише MIT technologyreview.

Дивіться також Хаосу з дротів більше не буде: подовжувачам знайдено кращу заміну 

Чи можуть твердотільні кондиціонери замінити звичайні системи охолодження?

З одного боку, це важливо для здоров'я населення. Дослідження, опубліковане в журналі The Lancet, показало, що лише у 2019 році кондиціонери допомогли запобігти майже 200 тисячам передчасних смертей.

З іншого боку, охолодження приміщень вже зараз створює значне навантаження на енергосистему та клімат. За оцінками фахівців, кондиціонування забезпечує близько 7% світового споживання електроенергії та приблизно 3% глобальних викидів парникових газів. Додатковою проблемою залишаються холодоагенти, які при неправильній утилізації можуть потрапляти в атмосферу та сприяти потеплінню значно сильніше за вуглекислий газ.

Саме тому науковці та стартапи активно працюють над альтернативними технологіями охолодження.

Як працює твердотільне охолодження?

На відміну від традиційних кондиціонерів, які використовують компресори, вентилятори та холодоагенти, твердотільні системи працюють завдяки властивостям спеціальних матеріалів.

Для перенесення тепла можуть використовуватися такі речовини, як гадоліній або телурид вісмуту. Теоретично це дозволяє охолоджувати поверхні та приміщення без застосування газових холодоагентів і складних механічних вузлів.

Основна перевага такого підходу полягає у меншій кількості рухомих деталей, що потенційно підвищує надійність обладнання та спрощує його обслуговування.

Втім, головне питання поки залишається відкритим – чи зможуть такі системи досягти ефективності традиційних кондиціонерів. Професор машинобудування Прамод Редді, який досліджує процеси теплопередачі, зазначає, що одним із ключових викликів залишається розуміння причин, через які твердотільні охолоджувачі поки поступаються класичним термодинамічним циклам за ефективністю.

Які технології зараз тестують?

Розробники випробовують одразу кілька підходів до твердотільного охолодження.

Термоелектричне охолодження. Найближче до практичного застосування просунулася американська компанія Mimic Systems з Брукліна. Її система використовує термоелектричний принцип. Електричний струм проходить через напівпровідникові матеріали та переносить тепло з одного боку системи на інший.

Наразі кімнатний прототип компанії проходить випробування в житловій квартирі у Ванкувері.

Магнітокалоричне охолодження. Німецька компанія Magnotherm розробляє магнітокалоричну систему.

Її принцип роботи базується на нагріванні та охолодженні матеріалів під впливом магнітного поля. Найближчим часом технологію планують протестувати в мережі супермаркетів.

Еластокалоричні та барокалоричні системи. Дослідники з Гонконгу працюють над еластокалоричними пристроями. У таких системах матеріал нагрівається або охолоджується під час розтягування та стискання.

За словами науковців, їхній експериментальний пристрій уже здатен досягати температур нижче 0 градусів Цельсія.

Ще один напрямок розвиває британська компанія Barocal. Вона використовує барокалоричний ефект, за якого температура матеріалу змінюється внаслідок зміни тиску.

Чому експерти поки налаштовані обережно?

Попри оптимізм розробників, багато науковців сумніваються, що нові системи зможуть повністю витіснити компресорні кондиціонери.

Професор Джефф Снайдер пояснює, що сучасні HVAC-системи зазвичай мають коефіцієнт продуктивності (COP) близько 3. Це означає, що на кожну одиницю витраченої енергії вони переносять приблизно три одиниці тепла.

Особливо складною виглядає ситуація для термоелектричних систем. За словами дослідника, їхня ефективність помітно знижується при великих перепадах температур. Саме тому сьогодні такі технології частіше використовують для локального охолодження, наприклад автомобільних сидінь або електроніки.

Втім, деякі фахівці вважають, що оцінювати нові технології лише за коефіцієнтом продуктивності неправильно.

Менеджерка кліматичного акселератора Third Derivative при Rocky Mountain Institute Ліндсі Расмуссен наголошує, що важливу роль відіграють також екологічність і довговічність.

Наприклад, багато сучасних кондиціонерів у США працюють на холодоагенті R410A, потенціал глобального потепління якого більш ніж у 2000 разів перевищує аналогічний показник вуглекислого газу.

Крім того, менша кількість механічних компонентів може зробити твердотільні системи надійнішими та довговічнішими.

Чи є майбутнє у нової технології?

Більшість експертів не очікує, що твердотільне охолодження найближчим часом повністю замінить звичайні кондиціонери. Однак навіть часткове впровадження таких систем може суттєво вплинути на ринок.

За словами Ліндсі Расмуссен, якщо нові технології зможуть зайняти хоча б 5% світового ринку кондиціонування, це вже матиме відчутний екологічний ефект. Особливо актуальним це може стати для країн із швидким зростанням попиту на охолодження, зокрема Індії, де протягом наступного десятиліття планують встановити десятки мільйонів нових кондиціонерів.

Тому хоча компресорні системи навряд чи зникнуть у найближчі роки, розвиток твердотільного охолодження може стати одним із важливих напрямків боротьби з енергоспоживанням та викидами у світі, який стає дедалі спекотнішим.