La tecnologia del condizionamento è la grande opportunità persa nella lotta al cambiamento climatico

Sergei Akulich / Pexels

Quando il mese scorso le ondate di calore da record hanno sfornato i californiani, la tensione collettiva di milioni di condizionatori d'aria ha costretto gli operatori di rete dello stato a far sprofondare nell'oscurità centinaia di migliaia di famiglie.

I continui blackout hanno offerto solo un piccolo accenno di ciò che probabilmente accadrà in California e molto oltre. L'aumento della popolazione, l'aumento dei redditi, l'aumento dell'urbanizzazione e l'aumento delle temperature estive potrebbero triplicare il numero di unità AC installate in tutto il mondo entro la metà del secolo, spingendo il totale verso 6 miliardi, secondo il Agenzia Internazionale dell'Energia Rapporto sul futuro del raffreddamento.

In effetti, l'aria condizionata rappresenta una delle sfide più insidiose del cambiamento climatico e uno dei problemi tecnologici più difficili da risolvere. Più il mondo si riscalda, più avremo bisogno di raffreddamento, non solo per il comfort, ma per la salute e sopravvivenza in gran parte del mondo.

Ma i condizionatori d'aria stessi producono abbastanza calore per aumentare in modo misurabile le temperature urbane e perdono anche gas serra molto potenti. Inoltre, quei miliardi di nuove unità affamate di energia creeranno una delle maggiori fonti di crescente domanda di elettricità in tutto il mondo.

Senza miglioramenti sostanziali, anche la domanda di energia per il raffreddamento triplicherà, raggiungendo i 6.200 terawattora entro il 2050, ovvero quasi un quarto del consumo totale di elettricità oggi nel mondo.

La Death Valley della California potrebbe aver stabilito le temperature più alte mai registrate in modo affidabile, tra le ondate di caldo torride del mese scorso.

AP FOTO / JOHN LOCHER

Nonostante l'entità delle crescenti sfide, nel settore sono stati affluiti relativamente pochi finanziamenti e pochi notevoli progressi nei prodotti sul mercato. A parte i lenti guadagni di efficienza, la tecnologia di base opera proprio come fece quando fu introdotto quasi un secolo fa.

Il fatto che l'uso dell'aria condizionata continua ad aumentare mentre il prodotto sembra e funziona in gran parte come ha fatto per decenni parla da sé, afferma Vince Romanin, amministratore delegato di Treau, con sede a San Francisco, una startup di raffreddamento invisibile che sviluppa un nuovo tipo di calore pompa. Penso che molte persone siano entusiaste di qualcosa di nuovo qui, ma ci sono stati solo progressi incrementali.

Negli ultimi decenni ci sono stati miglioramenti molto maggiori in termini di costi e prestazioni in altre tecnologie energetiche, come pannelli solari, batterie e veicoli elettrici, guidati da politiche pubbliche, sforzi di ricerca dedicati e crescente domanda di alternative più pulite. Treau è una delle numerose startup e gruppi di ricerca che stanno ora provando vari modi per ottenere progressi simili per il raffreddamento.

Ma anche se lo stock globale di unità AC diventasse molto più efficiente, i previsti aumenti di utilizzo sono così grandi che la domanda globale di elettricità aumenterà ancora. Ciò complicherà il già sbalorditivo compito di ripulire i settori energetici mondiali. Significa che le nazioni non hanno solo bisogno di rivedere le infrastrutture elettriche esistenti; devono costruire sistemi molto più grandi che mai esistiti e fare tutto con fonti prive di carbonio.

Miliardi di nuovi condizionatori

Raffreddare perennemente i grandi volumi di aria calda che riempiono case, uffici e fabbriche è, e sarà sempre, un enorme divoratore di energia.

Il problema non è semplicemente che più condizionatori d'aria richiederanno sempre più elettricità per alimentarli. È anche che aumenteranno in particolare la quantità necessaria durante le ore di punta, quando le temperature sono davvero alte e tutti alzano l'aria condizionata allo stesso tempo. Ciò significa che dobbiamo sovradimensionare i sistemi elettrici per soddisfare livelli di domanda che possono verificarsi solo per poche ore o pochi giorni all'anno.

Nella contea di Los Angeles, l'aumento delle temperature combinato con la crescita della popolazione potrebbe aumentare la domanda di elettricità durante le ore di punta dell'estate fino al 51% entro il 2060 in uno scenario ad alte emissioni, secondo un Studio 2019 sull'energia applicata da ricercatori dell'Arizona State e dell'Università della California, Los Angeles.

Ciò si somma a circa 6,5 ​​gigawatt aggiuntivi che gli operatori di rete dovrebbero essere in grado di portare online in una volta o alla produzione istantanea di quasi 20 milioni di pannelli solari da 300 watt in una giornata di sole.

E questo è solo per una delle 58 contee della California. Il mondo vedrà un aumento molto maggiore della domanda di aria condizionata nelle nazioni in cui la classe media si sta espandendo rapidamente e dove le ondate di caldo diventeranno più comuni e gravi. In particolare, l'IEA prevede che l'India installerà altri 1,1 miliardi di unità entro il 2050, portando la quota di AC del picco di domanda di elettricità della nazione dal 10% al 45%.

Pulizia della griglia

La soluzione più cruciale deve avvenire al di fuori del settore AC. La transizione della rete elettrica nel suo insieme a un maggiore utilizzo di fonti di energia pulita, come solare ed eolica, ridurrà costantemente le emissioni indirette di gas serra dall'energia utilizzata per alimentare i condizionatori d'aria.

Inoltre, lo sviluppo di reti sempre più intelligenti potrebbe aiutare i sistemi elettrici a far fronte alle sollecitazioni di picco della domanda di AC. Ciò comporta l'aggiunta di sensori, sistemi di controllo e software in grado di ridurre automaticamente l'utilizzo al diminuire della temperatura esterna, quando le persone lasciano gli spazi per periodi prolungati o quando la domanda inizia a scontrarsi con la generazione disponibile.

Il mondo può anche ridurre le emissioni dirette dell'AC passando a refrigeranti alternativi, i composti critici all'interno dei dispositivi di raffreddamento che assorbono il calore dall'aria. I produttori si sono affidati in gran parte agli idrofluorocarburi, che sono gas serra molto potenti che possono fuoriuscire durante la produzione e la riparazione o alla fine del ciclo di vita di un'unità. Ma nell'ambito di un emendamento del 2016 al Protocollo di Montreal , le aziende e i paesi devono passare sempre più a opzioni con un impatto sul riscaldamento inferiore, come una classe di composti promettenti noti come HFO, alcuni idrocarburi come il propano e persino l'anidride carbonica (che almeno ha un effetto di riscaldamento minore rispetto ai refrigeranti esistenti).

I refrigeranti alternativi potrebbero ridurre le emissioni dell'equivalente di circa 50 miliardi di tonnellate di anidride carbonica nei prossimi decenni, secondo la stima di fascia alta da un'analisi di Project Drawdown . (Il mondo ha emesso quasi 37 miliardi di tonnellate in totale l'anno scorso, secondo il Global Carbon Project .)

Esistono anche modi chiari per alleviare i carichi di elettricità necessari per il raffreddamento degli edifici, tra cui l'aggiunta di isolamento, la sigillatura di perdite d'aria, l'installazione di rivestimenti per finestre o pellicole e l'applicazione di colori o materiali riflettenti sui tetti. La creazione di tetti così freschi sull'80% degli edifici commerciali della nazione potrebbe ridurre il consumo energetico annuale di oltre 10 terawattora e risparmiare oltre $ 700 milioni, secondo uno studio precedente del Lawrence Berkeley National Lab .

Evitando il 'freddo crunch'

Ma alla fine, il numero crescente di unità AC che operano nelle case e negli edifici di tutto il mondo deve diventare molto più efficiente dal punto di vista energetico per evitare quella che è nota come la crisi del freddo in arrivo.

Uno degli strumenti più potenti per realizzare tali miglioramenti è la politica pubblica. L'IEA rileva che la migliore tecnologia disponibile è più del doppio dell'efficienza media di ciò che è effettivamente in uso in tutto il mondo e tre volte migliore dei prodotti più inefficienti sul mercato.

Il problema è che la maggior parte delle persone e delle aziende non pagheranno molto di più per sistemi più efficienti solo per aiutare a raggiungere gli obiettivi climatici globali, in particolare nelle parti povere del mondo. Ma con mandati, incentivi o sussidi, le nazioni possono contribuire a garantire che un numero maggiore di unità prodotte e vendute siano modelli a maggiore efficienza.

Il previsto aumento del consumo di energia per il raffreddamento si riduce del 45% entro la metà del secolo secondo lo scenario dell'AIE che include tali politiche (e non presuppone alcun progresso tecnologico).

Anche allora, tuttavia, la domanda di energia AC aumenterebbe ancora di circa il 70% entro la metà del secolo. Che batte triplicare. Ma il raggiungimento di significativi guadagni aggiuntivi potrebbe richiedere cambiamenti più radicali.

Cambiamento radicale

Diverse startup stanno cercando di spingere ulteriormente le cose.

Transaera, cofondata dal professore di energia del MIT Mircea Dincă, sta tentando di migliorare significativamente l'efficienza affrontando l'umidità nell'aria come passaggio separato.

Oltre al raffreddamento dell'aria ambiente, le unità AC convenzionali devono dedicare enormi quantità di energia alla gestione di questo vapore acqueo, che trattiene un calore considerevole e lo fa sentire molto più a disagio. Ciò richiede di abbassare la temperatura ben oltre ciò che legge il quadrante, al fine di convertire il vapore in un liquido e rimuoverlo dall'aria.

È semplicemente incredibilmente inefficiente', afferma Dincă. 'È un sacco di energia, e non è necessario,

L'approccio di Transaera si basa su una classe di materiali altamente porosi noti come strutture metallo-organiche che possono essere personalizzate per catturare e aderire a composti specifici, inclusa l'acqua. L'azienda ha sviluppato un accessorio per i sistemi di condizionamento dell'aria che utilizza questi materiali per ridurre l'umidità nell'aria prima che entri in un'unità standard. Egli stima che possa migliorare l'efficienza energetica complessiva di oltre il 25%.

Transaera è finalista nel Premio per il raffreddamento globale di 3 milioni di dollari , un concorso progettato per accelerare i progressi nel condizionamento dell'aria per ridurre gli impatti sul clima. L'azienda sta attualmente testando prototipi in India in collaborazione con una divisione del gigante cinese degli elettrodomestici Haier .

Nel frattempo, SkyCool Systems di Mountain View, in California, ha sviluppato specchi essenzialmente high-tech può gettare calore nelle fredde distese dello spazio , sfruttando un fenomeno naturale noto come raffreddamento radiativo.

I materiali sono progettati per emettere radiazioni in una banda stretta dello spettro luminoso che può scivolare oltre le molecole d'acqua e altri composti atmosferici che altrimenti irradiano calore verso il pianeta.

Collocati sui tetti, i materiali possono sostituire o aumentare i tradizionali sistemi di raffreddamento degli edifici. L'azienda stima che la tecnologia possa ridurre l'energia utilizzata per raffreddare le strutture dal 10 al 70%, a seconda della configurazione e del clima. SkyCool sta installando i materiali nel suo quarto sito commerciale.

Altre startup stanno esplorando idee come pompe di calore geotermiche , tecnologia a stato solido che evita la necessità di gas refrigeranti , e nuovi colpi di scena sul raffreddamento evaporativo , che di solito si basa su cuscinetti imbevuti d'acqua per ridurre la temperatura dell'aria.

La buona notizia è che un po' di denaro sta iniziando a fluire nel riscaldamento, nella ventilazione e nell'aria condizionata. La società di ricerca CB Insights ha tracciato solo otto operazioni di finanziamento per un valore di quasi 40 milioni di dollari nel 2015, ma 35 per un totale di circa 350 milioni di dollari l'anno scorso. (Ciò include prestiti, investimenti in capitale di rischio e acquisizioni.) E quest'anno ci sono già stati 39 accordi per un valore di circa $ 200 milioni.

Ma la cattiva notizia è che l'aumento del livello di finanziamento è minimo rispetto alle decine di miliardi che si riversano in altri settori dell'energia e della tecnologia, e minuscolo rispetto all'entità dei problemi a venire.

Questa storia è stata aggiornata per aggiungere informazioni attuali sui sistemi SkyCool e correggere la città in cui si trova ora.

nascondere