Luftkonditioneringsteknik är den stora missade möjligheten i kampen mot klimatförändringarna

Sergei Akulich / Pexels

När rekordhöga värmeböljor bakade kalifornier förra månaden, tvingade den kollektiva påfrestningen av miljontals luftkonditioneringsapparater statens nätoperatörer att kasta hundratusentals hushåll i mörker.

De rullande strömavbrotten gav bara en liten hint om vad som troligen kommer att komma i Kalifornien och långt bortom. Växande befolkningar, stigande inkomster, ökande urbanisering och stigande sommartemperaturer kan tredubbla antalet installerade AC-enheter över hela världen i mitten av århundradet, vilket driver det totala antalet mot 6 miljarder, enligt Internationella energibyrån Future of Cooling-rapport.

Luftkonditionering representerar faktiskt en av klimatförändringarnas mest lömska utmaningar och ett av de svåraste tekniska problemen att åtgärda. Ju mer världen värms upp, desto mer kommer vi att behöva kyla – inte bara för komfort, utan för hälsan och överlevnad i stora delar av världen.

Men luftkonditioneringsapparater själva producerar tillräckligt med värme för att mätbart öka stadstemperaturen, och de läcker ut mycket potenta växthusgaser också. Dessutom kommer dessa miljarder energihungriga nya enheter att skapa en av de största källorna till stigande elefterfrågan runt om i världen.

Utan större förbättringar kommer energibehovet från kyla också att tredubblas och nå 6 200 terawattimmar år 2050 – eller nästan en fjärdedel av världens totala elförbrukning idag.

Kaliforniens Death Valley kan ha etablerat de högsta temperaturerna som någonsin registrerats tillförlitligt, mitt i blåsiga värmeböljor förra månaden.

AP FOTO / JOHN LOCHER

Trots omfattningen av de växande utmaningarna har det funnits relativt lite finansiering till sektorn och få anmärkningsvärda framsteg inom produkter på marknaden. Bortsett från långsamma vinster i effektivitet, den grundläggande tekniken fungerar ungefär som det gjorde när det introducerades för nästan ett sekel sedan.

Det faktum att fönster AC-användningen fortsätter att öka medan produkten i stort sett ser ut och fungerar på samma sätt som den har gjort i decennier talar för sig själv, säger Vince Romanin, vd för San Francisco-baserade Treau, en smygkylningsstartup som utvecklar en ny typ av värme pump. Jag tror att många är peppade på något nytt här, men det har bara skett stegvisa framsteg.

Det har skett mycket större förbättringar i kostnader och prestanda för andra energitekniker under de senaste decennierna – som solpaneler, batterier och elfordon – drivna av offentliga riktlinjer, dedikerade forskningsinsatser och växande efterfrågan på renare alternativ. Treau är en av ett antal startups och forskargrupper som nu prövar olika sätt att uppnå liknande framsteg för kylning.

Men även om det globala lagret av AC-enheter blir mycket effektivare, är de förväntade sprången i användning så stora att den globala efterfrågan på el fortfarande kommer att skjuta i höjden. Det kommer att komplicera den redan häpnadsväckande uppgiften att städa upp världens kraftsektorer. Det betyder att nationer inte bara behöver se över befintlig elinfrastruktur; de måste bygga mycket större system än vad som någonsin har funnits – och göra allt med kolfria källor.

Miljarder nya luftkonditioneringsapparater

Att ständigt kyla de enorma volymerna varmluft som fyller hem, kontor och fabriker är, och kommer alltid att vara, en enorm energislukare.

Problemet är inte bara att fler luftkonditioneringsapparater kommer att kräva allt mer el för att driva dem. Det är också att de särskilt kommer att öka mängden som behövs under högtrafik, när temperaturen verkligen steker och alla drar igång AC samtidigt. Det betyder att vi måste överbygga elsystem för att möta efterfrågan som bara kan inträffa under några timmar eller några dagar om året.

I Los Angeles County kan stigande temperaturer i kombination med befolkningstillväxt höja efterfrågan på elektricitet under sommartid med så mycket som 51 % till 2060 under ett scenario med höga utsläpp, enligt en Studien tillämpad energi 2019 av forskare vid Arizona State och University of California, Los Angeles.

Det ger upp till cirka 6,5 ​​ytterligare gigawatt som nätoperatörer skulle behöva för att kunna koppla online på en gång, eller den omedelbara effekten av nästan 20 miljoner 300-watts solpaneler på en solig dag.

Och det är bara för ett av Kaliforniens 58 län. Världen kommer att se mycket större ökningar av AC-efterfrågan i länder där medelklassen expanderar snabbt och där värmeböljor kommer att bli vanligare och allvarligare. IEA räknar särskilt med att Indien kommer att installera ytterligare 1,1 miljarder enheter till 2050, vilket ökar AC:s andel av landets högsta elbehov från 10 % till 45 %.

Rengöring av gallret

Den mest avgörande åtgärden måste ske utanför AC-branschen. En övergång av elnätet som helhet till ökad användning av rena energikällor, som sol och vind, kommer att stadigt minska de indirekta utsläppen av växthusgaser från den energi som används för att driva luftkonditioneringsenheter.

Dessutom skulle utvecklingen av allt smartare nät kunna hjälpa elsystem att klara av efterfrågan på AC. Det innebär att man lägger till sensorer, styrsystem och mjukvara som automatiskt kan minska användningen när utomhustemperaturen sjunker, när människor lämnar utrymmen under längre perioder eller när efterfrågan börjar stöta upp mot tillgänglig produktion.

Världen kan också minska de direkta utsläppen från AC genom att byta till alternativa köldmedier, de kritiska föreningarna i kylanordningar som absorberar värme från luften. Tillverkare har till stor del förlitat sig på fluorkolväten, som är mycket potenta växthusgaser som kan läcka ut under tillverkning och reparation eller i slutet av en enhets livslängd. Men under en ändring från 2016 till Montrealprotokollet , måste företag och länder alltmer gå över till alternativ med lägre uppvärmningseffekter, såsom en klass av lovande föreningar som kallas HFO, vissa kolväten som propan och till och med koldioxid (som åtminstone har mindre uppvärmningseffekt än befintliga köldmedier).

Alternativa köldmedier kan minska utsläppen med motsvarande cirka 50 miljarder ton koldioxid under de kommande decennierna, enligt den avancerade uppskattningen från en projektdrawdown-analys . (Världen släppte ut nästan 37 miljarder ton totalt förra året, enligt Global Carbon Project .)

Det finns också tydliga sätt att lätta på elbelastningen som krävs för att kyla byggnader, inklusive att lägga till isolering, täta luftläckor, installera fönsterbeklädnader eller filmer och applicera reflekterande färger eller material på hustak. Att skapa sådana svala tak över 80 % av landets kommersiella byggnader kan minska den årliga energianvändningen med mer än 10 terawattimmar och spara mer än 700 miljoner dollar, enligt en tidigare studie av Lawrence Berkeley National Lab .

Undviker den 'kalla crunchen'

Men i slutändan måste det växande antalet AC-enheter som är verksamma i hem och byggnader runt om i världen bli mycket mer energieffektiva för att undvika vad som kallas den kommande kalla krisen.

Ett av de mest kraftfulla verktygen för att åstadkomma dessa förbättringar är offentlig politik. IEA noterar att den bästa tillgängliga tekniken är mer än dubbelt så effektiv som genomsnittet av vad som faktiskt används runt om i världen, och tre gånger bättre än de mest ineffektiva produkterna på marknaden.

Problemet är att de flesta människor och företag inte kommer att betala mycket mer för effektivare system bara för att hjälpa till att uppnå globala klimatmål, särskilt i fattiga delar av världen. Men med mandat, incitament eller subventioner kan nationer hjälpa till att säkerställa att fler av de enheter som produceras och säljs är mer effektiva modeller.

Den förväntade ökningen av kylningsrelaterad energianvändning krymper 45 % i mitten av seklet enligt IEA-scenariot som inkluderar sådana policyer (och förutsätter inga tekniska framsteg).

Men även då skulle efterfrågan på AC-energi fortfarande stiga med cirka 70 % högre vid mitten av seklet. Det slår tredubbling. Men att uppnå betydande ytterligare vinster kan kräva mer radikala förändringar.

Radikal förändring

Ett antal startups försöker driva saker ytterligare.

Transaera, medgrundat av MIT energiprofessor Mircea Dincă, försöker avsevärt förbättra effektiviteten genom att hantera luftfuktigheten som ett separat steg.

Förutom att kyla den omgivande luften måste konventionella AC-enheter ägna enorma mängder energi åt att hantera denna vattenånga, som håller kvar avsevärd värme och gör att den känns mycket mer obekväm. Det kräver att temperaturen sänks långt bortom vad ratten visar, för att omvandla ångan till en vätska och ta bort den från luften.

Det är bara otroligt ineffektivt, säger Dincă. 'Det är mycket energi, och det är onödigt,

Transaeras tillvägagångssätt bygger på en klass av mycket porösa material som kallas metallorganiska ramverk som kan anpassas för att fånga upp och hålla fast vid specifika föreningar, inklusive vatten. Företaget har utvecklat ett tillbehör för luftkonditioneringssystem som använder dessa material för att minska luftfuktigheten innan den går in i en standardenhet. Han uppskattar att det kan förbättra den totala energieffektiviteten med mer än 25 %.

Transaera är finalist i $3 miljoner Global Cooling Prize , en tävling utformad för att påskynda framstegen inom luftkonditionering för att minska klimatpåverkan. Företaget testar för närvarande prototyper i Indien i samarbete med en division av den kinesiska hushållsapparatjätten Haier .

Samtidigt har SkyCool Systems i Mountain View, Kalifornien, utvecklat i huvudsak högteknologiska speglar som kan kasta värme i de kalla vidderna av rymden , dra fördel av ett naturligt fenomen som kallas strålningskylning.

Materialen är designade för att avge strålning i ett smalt band av ljusspektrumet som kan glida förbi vattenmolekyler och andra atmosfäriska föreningar som annars strålar värme tillbaka mot planeten.

Placerade på hustak kan materialen ersätta eller förstärka traditionella kylsystem i byggnader. Företaget uppskattar att tekniken kan minska energin som används för att kyla strukturer med 10 till 70 %, beroende på konfiguration och klimat. SkyCool håller på att installera materialen på sin fjärde kommersiella plats.

Andra startups utforskar idéer som bergvärmepumpar , solid state-teknik som undviker behovet av köldmediegaser , och nya vändningar på evaporativ kylning , vilket vanligtvis förlitar sig på vattendränkta kuddar för att sänka lufttemperaturen.

Den goda nyheten är att en del pengar börjar flöda till uppvärmning, ventilation och luftkonditionering. Analysföretaget CB Insights spårade bara åtta finansieringsaffärer värda nästan 40 miljoner dollar under 2015, men 35 på totalt cirka 350 miljoner dollar förra året. (Detta inkluderar lån, riskkapitalinvesteringar och förvärv.) Och det har redan gjorts 39 affärer värda runt 200 miljoner dollar i år.

Men de dåliga nyheterna är att den ökade finansieringsnivån är liten jämfört med de tiotals miljarder som strömmar in i andra energi- och tekniksektorer – och ringa i förhållande till omfattningen av de kommande problemen.

Den här historien uppdaterades för att lägga till aktuell information om SkyCool Systems och korrigera staden där den nu är baserad.

Dölj