Во многих регионах нынче аномальная жара и кондиционер- одно из средств спасения от жары.
Одна из величайших ироний изменения климата заключается в том, что по мере того, как планета нагревается, технологии, необходимые людям для сохранения прохлады, только делают климат более жарким. К 2050 году исследователи ожидают, что количество комнатных кондиционеров на Земле увеличится в четыре раза до 4,5 миллиардов, став, по крайней мере, таким же повсеместным, как сотовые телефоны сегодня. Согласно расчетам Всемирного экономического форума, к концу века выбросы парниковых газов от кондиционеров будут составлять до 0,5 градуса по Цельсию роста глобальной температуры .
Короче говоря, кондиционер срочно нуждается в обновлении. Основная технология охлаждения, лежащая в основе кондиционеров и холодильников, существенно не изменилась с 1902 года, когда молодой американский инженер Уиллис Кэрриер изобрел первый кондиционер для решения проблемы влажности в типографии в Нью-Йорке. Не будет преувеличением сказать, что кондиционирование воздуха сформировало наш современный мир—и будет продолжать делать это хорошо в беспрецедентном климатическом будущем. В странах с быстрорастущей экономикой и уже опасным уровнем жары и влажности, таких как Индия, Индонезия и Бразилия, миллиарды людей вскоре купят свой первый домашний кондиционер. Вопрос о том, смогут ли они позволить себе более удобные для климата агрегаты-или модели с большим загрязнением окружающей среды, которые уже давно доминируют на рынке,—висит на волоске.
Обеспечение того, чтобы эта волна новых клиентов могла позволить себе более эффективные кондиционеры, является мотивацией, лежащей в основе премии Global Cooling Prize. Стратегически премия фокусируется не на центральных системах воздуха, распространенных в домах США, и не на оконных блоках, а на однокомнатном кондиционере, аналогичном тем, которые обычно устанавливаются в многоквартирных домах в Индии, где будет проходить конкурс. В ноябре 2019 года были объявлены восемь финалистов конкурса стоимостью 1 миллион долларов на разработку комнатного кондиционера, который в течение своего срока службы производит в пять раз меньше парниковых газов, чем стандартный комнатный агрегат.
Конкурс, стартовавший в 2018 году, спонсируется Индийским Департаментом науки и техники, входящим в состав Индийского Министерства науки и техники, Институтом Рокки Маунтин (RMI), коалицией из 24 дополнительных стран и Ричардом Брэнсоном, основателем и генеральным директором Virgin Group. Премия направлена на ускорение разработки кондиционеров, которые потребляют значительно меньше энергии вместе с более благоприятными для климата охлаждающими средствами. Если бы такая технология была быстро развернута, она могла бы предотвратить до 100 гигатонн выбросов CO2-эквивалента к 2050 году, по оценкам RMI.
Выигрышная единица должна стоить не более чем в два раза больше, чем стандартный комнатный кондиционер, и должна держать людей прохладными в изнуряющей жаре жилого дома в Дели, Индия, где тепловой индекс—измерение того, насколько жарко он чувствует себя —может достигать 60 градусов по Цельсию. Получив в ноябре 200 000 долларов на доработку своих предложений, восемь команд теперь участвуют в гонке по созданию прототипов, которые будут отправлены в Индию для испытаний осенью 2021 года.
Чтобы понять вызов, это помогает представить себе базовую систему, которую изобрел Уиллис Кэрриер—и которую мы, по существу, все еще используем сегодня. Он известен как цикл сжатия пара, объясняет Кларк Буллард, инженер-механик и почетный профессор Иллинойского университета. В своей наиболее урезанной форме он состоит из двух металлических змеевиков, один из которых расположен внутри охлаждаемого пространства, а другой-снаружи. Жидкий хладагент циркулирует по змеевикам, попеременно испаряясь и конденсируясь под переменным давлением. Когда хладагент испаряется, он становится холодным и охлаждает металлический змеевик внутри помещения. Когда он достигает наружного змеевика, хладагент конденсируется, выбрасывая тепло в воздух перед началом следующего цикла. Тем временем вентилятор обдувает холодную металлическую катушку, охлаждая воздух и удаляя влагу, поскольку вода конденсируется на катушке, как капли “на холодном пивном стакане”, говорит Буллард.
Сегодняшний рынок кондиционеров объемом 60 млрд. $, на котором доминируют несколько крупных корпораций, давно сосредоточен на снижении стоимости кондиционеров на основе сжатия пара, а не на снижении количества энергии, необходимой для их питания. В дополнение к повышению эффективности кондиционеров необходимо срочно заменить хладагенты на основе гидрофторуглеродов (ГФУ), которые все еще используются в большинстве кондиционеров, несмотря на глобальные усилия по поэтапному отказу от химических веществ. Примерно в 1000-3000 раз более мощные, чем CO2 в качестве парникового газа, эти хладагенты медленно просачиваются в атмосферу и улетучиваются при разрушении кондиционеров.
Несмотря на десятилетия поисков, немногие хладагенты оказались жизнеспособными альтернативами ГФУ, говорит Буллард. - Нам не нравится, когда они легко воспламеняются. Нам не нравится, когда они ядовиты. Нам нравится, чтобы они имели определенную точку кипения. Мы не хотим, чтобы они были слишком вязкими, потому что их прокачка обходится дороже, и мы не хотим, чтобы они испортили озоновый слой или прогрели планету. К тому времени, когда вы начнете применять все эти ограничения, у вас останется всего несколько вариантов выбора”.
В этом и заключается дилемма для новаторов—должны ли они сосредоточить свои усилия на поиске наиболее благоприятного для климата хладагента или на сокращении потребления электроэнергии? Чтобы достичь цели конкурса-в пять раз меньшего воздействия на климат, кондиционер, использующий стандартный хладагент ГФУ, должен был бы потреблять в 6,4 раза меньше электроэнергии, чем базовый блок. В отличие от этого, установка, использующая хладагент с нулевой потенциальной способностью вносить вклад в глобальное потепление, должна быть только в четыре раза эффективнее.
Большинство финалистов конкурса балансируют между этими двумя подходами, сочетая более благоприятные для климата хладагенты с повышающими эффективность хаками, такими как интеллектуальные элементы управления и солнечные панели. Но другие выбрали третью возможность—вообще выбросить ГХФ. Barocal, стартап, основанный ученым-материаловедом Ксавье Мойей из Кембриджского университета, стремится решить проблему утечки хладагента с помощью нового твердого хладагента, изготовленного из органических кристаллов. Дешевые и нетоксичные, кристаллы выделяют и поглощают тепло под давлением при изменении объема, объясняет Мойя. Типичный компрессор кондиционера может легко производить самое низкое необходимое давление-70 бар или атмосфер,—но может потребоваться и более высокое давление. Эффективность кондиционера будет зависеть от того, как команда приложит давление к кристаллам.
Другие команды нацелились на энергетический конец уравнения. Как может подтвердить любой, кто живет в душном климате, липкая жара чувствует себя гораздо хуже, чем сухая жара, потому что тело не может избавиться от такого количества тепла через испарение. Большинство систем сжатия пара используют грубый подход к осушению, делая внутреннюю катушку настолько холодной, что капли воды вынуждены конденсироваться, когда воздух дует на холодный металл. Особенно во влажном климате это часто означает, что кондиционер должен быть установлен на более холодную температуру, чем люди на самом деле хотят, таким образом, тратя энергию.
Чтобы решить эту проблему, несколько команд ищут способы осушения воздуха до того, как он остынет. Например, стартап Transaera из Массачусетского технологического института (MIT) сотрудничает с Qingdao Haier Air Conditioner Gen Corp. Ltd, чтобы построить устройство, которое удаляет молекулы воды из воздуха, используя новый, высокопористый материал, называемый металлическим органическим каркасом. Наноразмерные поры в материале действуют как молекулярная губка, удаляя капли воды из воздуха более эффективно, чем любой другой известный материал. Команда планирует высушить губку, используя отработанное тепло от компрессора кондиционера, что позволит использовать ее снова и снова. Если эта “губка” может работать с существующими блоками и не нуждается в частой замене, она может вырваться вперед в конкурентной борьбе.
Время, однако, не на стороне изобретателей. Чтобы не допустить роста глобальных выбросов от новых кондиционеров, новые технологии, отвечающие критериям в пять раз меньшего потенциала глобального потепления, должны будут чрезвычайно быстро расширяться, выйдя на рынок к 2022 году и захватив почти 100 процентов продаж к 2040 году, подсчитал RMI.
Конкуренция за поддержание низких цен настолько жестока, что будет трудно вытеснить более дешевые варианты, особенно в таких странах, как Индия и Бразилия, где рост доходов означает, что многие люди вскоре смогут позволить себе купить свой первый кондиционер. Однако в бедных странах снижение расходов на эксплуатацию кондиционера может быть столь же важным, как и снижение его первоначальной стоимости, говорит Сорин Грама, основатель "Transaera".
Живя в Нью-Дели и работая над сельскими холодильными установками для индийских фермеров, Грама подарил одному из своих сотрудников комнатный кондиционер, чтобы ее дочь могла учиться более комфортно. Позже, когда он проверил, помогло ли это, женщина сказала ему, что она не пользовалась им, потому что не могла позволить себе управлять им.
Грэма надеется, что премия Global Cooling Prize поможет привести политику Индии в соответствие с технологическими инновациями, установив новые стандарты эффективности и стоимости. Как и у многих других тропических стран, у Индии есть срочная необходимость держать свое население прохладным—при сценарии с высоким уровнем выбросов три четверти населения Индии столкнутся с угрожающими жизни уровнями тепла и влажности к 2100 году. По данным Всемирного экономического форума, правила, требующие, чтобы кондиционеры соответствовали Глобальным стандартам премирования за охлаждение, сэкономят Индии 380 миллиардов долларов на расходах на кондиционирование воздуха и достигнут примерно 40 процентов целевого показателя сокращения выбросов в стране.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, к 2050 году во всем мире экстремальная жара может ежегодно убивать более 255 000 человек. Новых кондиционеров будет недостаточно , чтобы предотвратить эти смерти—необходимы и другие меры, такие как строительство с лучшими изоляционными материалами, чем стекло и бетон. Если верить истории, самый быстрый путь к изменению того, как мы остаемся хладнокровными, - это сочетание инноваций, конкуренции и регулирования. А скорость необходима, поскольку ставки в гонке глобального охлаждения-это не только комфорт, но и выживание.
Вольный перевод журнала "Антропоцен"
