Το ενεργειακό κόστος του κλιματισμού
Το ένα πέμπτο των ενεργειακών απαιτήσεων των κτηρίων χρησιμοποιείται για την ψύξη τους. Αυτό το ποσό αντιστοιχεί στο 10% περίπου της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Όπως γνωρίζουμε και από την εμπειρία μας, η αυξανόμενη χρήση των κλιματιστικών τους καλοκαιρινούς μήνες αυξάνει κατακόρυφα την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας πιέζοντας το σύστημα παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Ταυτόχρονα, συνεισφέρει σημαντικά στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.
Για την ώρα, το πρόβλημα εντοπίζεται κυρίως στις ανεπτυγμένες χώρες, ενώ το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού που ζει σε θερμά κλίματα δεν έχει πρόσβαση στον κλιματισμό. Ωστόσο, αυτό αναμένεται να αλλάξει καθώς ανεβαίνει το βιοτικό επίπεδο των αναπτυσσόμενων χωρών, κάτι που διαφαίνεται από τις ήδη αυξανόμενες πωλήσεις κλιματιστικών. Μέχρι το 2050 περισσότερα από 6 στα 10 σπίτια παγκοσμίως θα έχουν κλιματισμό, τριπλασιάζοντας τις αντίστοιχες ενεργειακές απαιτήσεις. Σε χώρες όπως η Κίνα και η Ινδία αναμένεται να κορυφωθεί η ζήτηση του ηλεκτρικού ρεύματος, απαιτώντας την εγκατάσταση περισσότερων μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, προκαλώντας ακόμα μεγαλύτερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Εκτός από την αναζήτηση πηγών ενέργειας με μικρότερο ενεργειακό αποτύπωμα είναι απαραίτητη και η βελτίωση της απόδοσης των κλιματιστικών. Μια στρατηγική είναι να δοθούν οικονομικά κίνητρα στους καταναλωτές να αγοράζουν αποδοτικότερα κλιματιστικά, ενώ ταυτόχρονα αναπτύσσεται και η έρευνα στην επιστήμη των υλικών.
Τα κλιματιστικά και οι υδροφθοράνθρακες
Ο βασικός σκοπός του κλιματισμού είναι η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ δυο χώρων. Τα κλιματιστικά, όπως και τα ψυγεία που λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο, αποτελούν εξαιρετικά παραδείγματα εφαρμογής των νόμων της θερμοδυναμικής. Για να ψύξουμε το εσωτερικό ενός κτηρίου αφαιρούμε από αυτό θερμότητα και τη διοχετεύουμε στο περιβάλλον. Σε αυτή την κυκλική διαδικασία χρησιμοποιούμε ψυκτικά υγρά, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να απορροφούν και να εκλύουν μεγάλα ποσά θερμότητας όταν υφίστανται μεταβολές φάσης. Μέσα στην εσωτερική μονάδα του κλιματιστικού ο αέρας έρχεται σε επαφή με τους σωλήνες όπου βρίσκεται το ψυκτικό υγρό. Αυτό απορροφά τη θερμότητα του αέρα, μετατρέπεται σε αέριο και κατευθύνεται στην εξωτερική μονάδα όπου με τη βοήθεια μηχανικού έργου συμπιέζεται και πάλι, ψύχεται και υγροποιείται, αποβάλλοντας τη θερμότητά του στο περιβάλλον. Στη συνέχεια κατευθύνεται και πάλι στην εσωτερική μονάδα, ξεκινώντας έναν νέο κύκλο. Επειδή η δυνατότητα του αέρα να συγκρατεί υγρασία εξαρτάται από τη θερμοκρασία του, ο κλιματισμός επηρεάζει και την υγρασία ενός χώρου. Ο αέρας που ψύχεται στο κλιματιστικό «αποβάλει» μέρος της υγρασίας του-κάτι που εξηγεί για ποιο λόγο τα κλιματιστικά αποβάλλουν νερό.
Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται ως ψυκτικά ουσίες που ονομάζονται υδροφθοράνθρακες (HFCs). Αυτοί έχουν αντικαταστήσει τους χλωροφθοράνθρακες (CFCs) επειδή οι τελευταίοι συντελούσαν στην αποψίλωση του όζοντος στην στρατόσφαιρα. Ωστόσο, οι υδροφθοράνθρακες, αν και ασφαλείς για το στρώμα του όζοντος, είναι πολύ πτητικά αέρια που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Κατά συνέπεια, μπορούν να συνεισφέρουν στην αύξηση της παγκόσμιας θερμοκρασίας. Παρόλο που η συνολική ποσότητα των HFCs είναι μικρή συγκρινόμενη με άλλα αέρια όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο,, η αυξανόμενη χρήση των κλιματιστικών αναμένεται να εντείνει τις επιπτώσεις τους στο περιβάλλον.
Αναζητώντας νέα ψυκτικά υλικά
Πολύ ενδιαφέρουσες ψυκτικές ιδιότητες έχουν όχι μόνο υγρά αλλά και στερεά, τα οποία με τη βοήθεια μηχανικού έργου (πίεσης), ηλεκτρικών πεδίων ή μαγνητών υφίστανται αλλαγές φάσης απορροφώντας και αποδίδοντας μεγάλα ποσά ενέργειας. Για παράδειγμα, ορισμένα κράματα σπάνιων γαιών όπως το γαδολίνιο και το πρασεοδύμιο έχουν την ιδιότητα να μεταβάλλουν τη θερμοκρασία τους όταν βρίσκονται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, αλλάζοντας την κρυσταλλική τους δομή. Το φαινόμενο ονομάζεται μαγνητοθερμικό, ανακαλύφθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα και βρίσκει εφαρμογή στη μαγνητική ψύξη. Στα μαγνητικά ψυγεία αντί για τη συμπίεση και εκτόνωση ενός αερίου έχουμε έναν ηλεκτρομαγνήτη ο οποίος υποβάλλει περιοδικά το μαγνητοθερμικό υλικό σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Το πρώτο μαγνητικό ψυγείο κατασκευάστηκε το 1933, όμως η ψύξη σε θερμοκρασίες δωματίου έγινε εφικτή στη δεκαετία του 1970. Σήμερα αποτελεί πεδίο έντονης μελέτης, ώστε το φαινόμενο να βρει ευρεία εμπορική εφαρμογή και να αποτελέσει μια πιο αποδοτική και συμφέρουσα λύση από τους υδροφθοράνθρακες.
Αντίστοιχη έρευνα γίνεται όμως και για το πιεζοθερμικό φαινόμενο, το φαινόμενο στο οποίο οφείλουμε τα υπάρχοντα κλιματιστικά και τα ψυγεία. Τα υλικά που δοκιμάζονται θα πρέπει να είναι φτηνά και ανθεκτικά, ώστε να μπορούν να στηρίξουν τους εκατομμύρια κύκλους ψύξης-θέρμανσης που πραγματοποιούνται κατά τον μέσο χρόνο ζωής ενός ψυγείου ή κλιματιστικού.
Σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2019 από ερευνητές της πολυτεχνικής σχολής της Καταλονίας και των Πανεπιστημίων Κέμπριτζ και Μπορντό, ένα πολλά υποσχόμενο υλικό είναι η νεοπεντυλική γλυκόλη, ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό που χρησιμοποιείται στην κατασκευή βαφών, λιπαντικών και μονωτικών υλικών. Οι ερευνητές παρατήρησαν μια αύξηση της τάξης των 40 βαθμών υπό μέτρια μηχανική πίεση, η οποία οφειλόταν σε αντιστρέψιμες μεταβολές της κρυσταλλικής δομής του υλικού. Η νεοπεντυλική γλυκόλη παρουσίασε ιδιότητες πολύ καλύτερες από άλλα υλικά, συγκρίσιμες με αυτές των HFCs, ενώ το γεγονός ότι μπορεί να παρασκευαστεί με σχετική ευκολία από πρώτες ύλες που βρίσκονται σε αφθονία την κάνουν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική.
Σύμφωνα με μια επισκόπηση που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Science, οι τελευταίες εξελίξεις στην έρευνα των μαγνητοθερμικών, ηλεκτροθερμικών και πιεζοθερμικών υλικών είναι ραγδαίες και σύντομα αναμένεται η ευρεία χρήση κλιματιστικών να καταστεί οικονομικότερη, αποδοτικότερη και λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον.
Πηγές και περισσότερες πληροφορίες
https://science.sciencemag.org/content/370/6518/797
https://www.iea.org/reports/the-future-of-cooling#key-findings
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09730-9
