Klimatechnik ist die große verpasste Chance im Kampf gegen den Klimawandel

Klimaanlagen

Sergei Akulich / Pexels



Als im vergangenen Monat rekordverdächtige Hitzewellen die Kalifornier heimsuchten, zwang die kollektive Belastung von Millionen von Klimaanlagen die Netzbetreiber des Staates, Hunderttausende von Haushalten in Dunkelheit zu tauchen.

Die rollenden Stromausfälle boten nur einen kleinen Hinweis darauf, was in Kalifornien und weit darüber hinaus wahrscheinlich kommen wird. Wachsende Bevölkerungszahlen, steigende Einkommen, zunehmende Urbanisierung und steigende Sommertemperaturen könnten die Zahl der weltweit installierten Klimaanlagen bis Mitte des Jahrhunderts verdreifachen und die Gesamtzahl laut dem auf 6 Milliarden erhöhen Internationale Energieagentur 's Future of Cooling-Bericht.





Tatsächlich stellt die Klimatisierung eine der heimtückischsten Herausforderungen des Klimawandels und eines der am schwierigsten zu lösenden technologischen Probleme dar. Je mehr sich die Welt erwärmt, desto mehr brauchen wir Kühlung – nicht nur zum Wohlfühlen, sondern auch für die Gesundheit und Überleben in weiten Teilen der Welt.

Aber Klimaanlagen selbst produzieren genug Wärme, um die städtischen Temperaturen messbar zu erhöhen, und sie geben auch hochwirksame Treibhausgase ab. Außerdem werden diese Milliarden von energiehungrigen neuen Einheiten eine der größten Quellen für steigenden Strombedarf auf der ganzen Welt schaffen.

Ohne größere Verbesserungen wird sich auch der Energiebedarf für die Kühlung verdreifachen und bis 2050 6.200 Terawattstunden erreichen – oder fast ein Viertel des heutigen weltweiten Stromverbrauchs.



Todestal der Hitzewelle

Das kalifornische Death Valley hat möglicherweise die höchsten Temperaturen erreicht, die jemals zuverlässig gemessen wurden, inmitten von glühenden Hitzewellen im letzten Monat.

AP-FOTO / JOHN LOCHER

Trotz des Ausmaßes der wachsenden Herausforderungen floss relativ wenig Geld in den Sektor und nur wenige nennenswerte Fortschritte bei Produkten auf dem Markt. Abgesehen von langsamen Effizienzgewinnen die grundlegende Technologie arbeitet so wie damals, als es vor fast einem Jahrhundert eingeführt wurde.

Die Tatsache, dass die Verwendung von Fenster-Klimaanlagen weiter zunimmt, während das Produkt weitgehend so aussieht und funktioniert wie seit Jahrzehnten, spricht für sich, sagt Vince Romanin, Geschäftsführer von Treau mit Sitz in San Francisco, einem Startup für Stealth-Kühlung, das eine neuartige Art von Wärme entwickelt Pumpe. Ich denke, viele Leute freuen sich auf etwas Neues hier, aber es gab nur schrittweise Fortschritte.

In den letzten Jahrzehnten gab es bei anderen Energietechnologien – wie Solarmodulen, Batterien und Elektrofahrzeugen – weitaus größere Verbesserungen bei Kosten und Leistung, die durch öffentliche Maßnahmen, engagierte Forschungsanstrengungen und die wachsende Nachfrage nach saubereren Alternativen vorangetrieben wurden. Treau ist eines von mehreren Start-ups und Forschungsgruppen, die derzeit auf verschiedenen Wegen versuchen, ähnliche Fortschritte bei der Kühlung zu erzielen.



Aber selbst wenn der globale Bestand an AC-Einheiten viel effizienter wird, sind die prognostizierten Sprünge in der Nutzung so groß, dass die globale Stromnachfrage immer noch steigen wird. Das wird die ohnehin schon gewaltige Aufgabe der Säuberung der Energiesektoren der Welt erschweren. Dies bedeutet, dass Nationen nicht nur die bestehende Strominfrastruktur überholen müssen; Sie müssen weitaus größere Systeme bauen, als es je gegeben hat – und das alles mit kohlenstofffreien Quellen.

Milliarden neue Klimaanlagen

Die ständige Kühlung der riesigen Mengen heißer Luft, die Wohnungen, Büros und Fabriken füllen, ist und bleibt ein gewaltiger Energiefresser.

Das Problem ist nicht nur, dass immer mehr Klimaanlagen immer mehr Strom benötigen, um sie zu betreiben. Es ist auch so, dass sie die Menge, die in Spitzenzeiten benötigt wird, besonders erhöhen, wenn die Temperaturen wirklich brennen und alle gleichzeitig ihre Klimaanlage aufdrehen. Das bedeutet, dass wir die Stromsysteme überbauen müssen, um den Bedarf zu decken, der möglicherweise nur für einige Stunden an wenigen Tagen im Jahr auftritt.

In Los Angeles County könnten steigende Temperaturen in Verbindung mit Bevölkerungswachstum die Stromnachfrage während der Sommerspitzenzeiten bis 2060 in einem Szenario mit hohen Emissionen um bis zu 51 % steigern, so a 2019 Angewandte Energiestudie von Forschern der Arizona State und der University of California, Los Angeles.

Das summiert sich auf etwa 6,5 ​​zusätzliche Gigawatt, die Netzbetreiber sofort ans Netz bringen müssten, oder auf die sofortige Leistung von fast 20 Millionen 300-Watt-Solarmodulen an einem sonnigen Tag.

Und das nur für einen der 58 Bezirke Kaliforniens. Die Welt wird in Ländern, in denen die Mittelschicht schnell wächst und in denen Hitzewellen häufiger und schwerwiegender werden, einen weitaus größeren Anstieg der AC-Nachfrage erleben. Insbesondere prognostiziert die IEA, dass Indien bis 2050 weitere 1,1 Milliarden Einheiten installieren wird, wodurch der Anteil von AC am Spitzenstrombedarf des Landes von 10 % auf 45 % steigen wird.

Reinigung des Gitters

Die wichtigste Lösung muss außerhalb der AC-Branche erfolgen. Die Umstellung des gesamten Stromnetzes auf eine stärkere Nutzung sauberer Energiequellen wie Sonne und Wind wird die indirekten Treibhausgasemissionen aus der Energie, die zum Betrieb von Klimaanlagen verwendet wird, kontinuierlich reduzieren.

Künstliche Intelligenz und Bewusstsein

Darüber hinaus könnte die Entwicklung zunehmend intelligenter Netze den Stromsystemen helfen, mit den Lastspitzenbelastungen von Wechselstrom fertig zu werden. Dazu müssen Sensoren, Steuerungssysteme und Software hinzugefügt werden, die die Nutzung automatisch reduzieren können, wenn die Außentemperaturen sinken, wenn Menschen Räume für längere Zeit verlassen oder wenn die Nachfrage beginnt, die verfügbare Erzeugung zu übersteigen.

Die Welt kann auch die direkten Emissionen von Klimaanlagen reduzieren, indem sie auf alternative Kältemittel umsteigen, die kritischen Verbindungen in Kühlgeräten, die Wärme aus der Luft absorbieren. Die Hersteller haben sich weitgehend auf Fluorkohlenwasserstoffe verlassen, die hochwirksame Treibhausgase sind, die während der Herstellung und Reparatur oder am Ende der Lebensdauer einer Einheit austreten können. Aber im Rahmen einer Änderung des Montrealer Protokolls von 2016 , müssen Unternehmen und Länder zunehmend auf Optionen mit geringerer Erwärmungswirkung umsteigen, wie z. B. eine Klasse vielversprechender Verbindungen, die als HFOs bekannt sind, bestimmte Kohlenwasserstoffe wie Propan und sogar Kohlendioxid (das zumindest eine geringere Erwärmungswirkung hat als bestehende Kältemittel).

Alternative Kältemittel könnten die Emissionen in den kommenden Jahrzehnten um etwa 50 Milliarden Tonnen Kohlendioxid-Äquivalent reduzieren, gemäß der High-End-Schätzung aus einer Project Drawdown-Analyse . (Die Welt hat letztes Jahr insgesamt fast 37 Milliarden Tonnen emittiert, nach dem Global Carbon Project .)

Es gibt auch klare Möglichkeiten, die zum Kühlen von Gebäuden erforderlichen Stromlasten zu verringern, darunter das Hinzufügen von Isolierungen, das Abdichten von Luftlecks, das Anbringen von Fensterabdeckungen oder -folien und das Anbringen von reflektierenden Farben oder Materialien auf Dächern. Die Schaffung solch kühler Dächer auf 80 % der Gewerbegebäude des Landes könnte den jährlichen Energieverbrauch um mehr als 10 Terawattstunden senken und mehr als 700 Millionen US-Dollar einsparen, so die Studie eine frühere Studie des Lawrence Berkeley National Lab .

Vermeiden des „kalten Knirschens“

Aber letztendlich muss die wachsende Zahl von AC-Einheiten, die in Haushalten und Gebäuden auf der ganzen Welt betrieben werden, weitaus energieeffizienter werden, um die sogenannte kommende Kältekrise zu vermeiden.

Eines der wirksamsten Instrumente, um diese Verbesserungen herbeizuführen, ist die öffentliche Ordnung. Die IEA stellt fest, dass die beste verfügbare Technologie mehr als doppelt so effizient ist wie der Durchschnitt dessen, was weltweit tatsächlich verwendet wird, und dreimal besser als die ineffizientesten Produkte auf dem Markt.

Das Problem ist, dass die meisten Menschen und Unternehmen nicht viel mehr für effizientere Systeme bezahlen werden, nur um zum Erreichen der globalen Klimaziele beizutragen, insbesondere in armen Teilen der Welt. Aber mit Mandaten, Anreizen oder Subventionen können Nationen dazu beitragen, dass mehr der produzierten und verkauften Einheiten Modelle mit höherer Effizienz sind.

Der prognostizierte Anstieg des kältebedingten Energieverbrauchs schrumpft bis Mitte des Jahrhunderts im IEA-Szenario, das solche Richtlinien enthält (und keine technologischen Fortschritte voraussetzt), um 45 %.

Aber selbst dann würde der Wechselstrombedarf bis Mitte des Jahrhunderts immer noch um etwa 70 % steigen. Das schlägt das Verdreifachen. Um jedoch signifikante zusätzliche Gewinne zu erzielen, könnten radikalere Änderungen erforderlich sein.

Radikale Veränderung

Eine Reihe von Startups versuchen, die Dinge weiter voranzutreiben.

Transaera, das von MIT-Energieprofessor Mircea Dincă mitbegründet wurde, versucht, die Effizienz erheblich zu verbessern, indem es die Luftfeuchtigkeit in einem separaten Schritt angeht.

Herkömmliche Klimaanlagen müssen nicht nur die Umgebungsluft kühlen, sondern auch enorme Energiemengen aufwenden, um mit diesem Wasserdampf fertig zu werden, der viel Wärme speichert und sich viel unangenehmer anfühlt. Dazu muss die Temperatur weit über die auf dem Zifferblatt angezeigte Temperatur gesenkt werden, um den Dampf in eine Flüssigkeit umzuwandeln und aus der Luft zu entfernen.

Es ist einfach unglaublich ineffizient“, sagt Dincă. „Es kostet viel Energie, und es ist unnötig,

Der Ansatz von Transaera stützt sich auf eine Klasse hochporöser Materialien, die als metallorganische Gerüste bekannt sind und angepasst werden können, um bestimmte Verbindungen, einschließlich Wasser, einzufangen und daran zu haften. Das Unternehmen hat einen Aufsatz für Klimaanlagen entwickelt, der diese Materialien verwendet, um die Feuchtigkeit in der Luft zu reduzieren, bevor sie in ein Standardgerät gelangt. Er schätzt, dass es die Gesamtenergieeffizienz um mehr als 25 % verbessern kann.

Transaera ist Finalist in der Global Cooling Prize in Höhe von 3 Millionen US-Dollar , ein Wettbewerb, der darauf abzielt, Fortschritte bei der Klimatisierung zu beschleunigen, um die Auswirkungen auf das Klima zu reduzieren. Das Unternehmen testet derzeit Prototypen in Indien in Partnerschaft mit einer Abteilung des chinesischen Hausgeräteriesen Haier .

Was ist Satellitenbild?

Inzwischen hat SkyCool Systems aus Mountain View, Kalifornien, im Wesentlichen Hightech-Spiegel entwickelt, die das können kann Wärme in die kalten Weiten des Weltalls werfen , wobei ein natürliches Phänomen genutzt wird, das als Strahlungskühlung bekannt ist.

Die Materialien sind so konzipiert, dass sie Strahlung in einem schmalen Band des Lichtspektrums emittieren, das an Wassermolekülen und anderen atmosphärischen Verbindungen vorbeigleiten kann, die andernfalls Wärme zurück zum Planeten abstrahlen.

Auf Dächern platziert, können die Materialien herkömmliche Gebäudekühlsysteme ersetzen oder ergänzen. Das Unternehmen schätzt, dass die Technologie den Energieverbrauch zum Kühlen von Gebäuden je nach Konfiguration und Klima um 10 bis 70 % reduzieren kann. SkyCool ist dabei, die Materialien an seinem vierten kommerziellen Standort zu installieren.

Andere Startups erforschen Ideen wie Erdwärmepumpen , Solid-State-Technologie, die den Bedarf an Kühlgasen vermeidet , und neue Wendungen in der Verdunstungskühlung , was normalerweise setzt auf wassergetränkte Pads um die Lufttemperatur zu senken.

Die gute Nachricht ist, dass etwas Geld in Heizung, Lüftung und Klimaanlage fließt. Das Forschungsunternehmen CB Insights verfolgte 2015 nur acht Finanzierungsgeschäfte im Wert von fast 40 Millionen US-Dollar, aber 35 im vergangenen Jahr mit einem Gesamtwert von rund 350 Millionen US-Dollar. (Dazu gehören Kredite, Risikokapitalinvestitionen und Akquisitionen.) Und in diesem Jahr gab es bereits 39 Deals im Wert von rund 200 Millionen US-Dollar.

Aber die schlechte Nachricht ist, dass das erhöhte Finanzierungsniveau winzig ist im Vergleich zu den zig Milliarden, die in andere Energie- und Technologiesektoren fließen – und winzig im Verhältnis zum Ausmaß der kommenden Probleme.

Diese Geschichte wurde aktualisiert, um aktuelle Informationen über SkyCool Systems hinzuzufügen und die Stadt zu korrigieren, in der es jetzt seinen Sitz hat.

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