Сделаем холод умнее

Центр научно-технологического форсайта Университета ИТМО продолжает знакомить читателей с наиболее интересными зарубежными публикациями, освещающими технологические и управленческие тенденции в приоритетных направления деятельности университета. В представленной краткой версии исследования «Сделаем холод умнее» рассматриваются системные вопросы, актуальные для Института холода и биотехнологий.

Об исследовании

Исследование «Сделаем холод умнее» (Doing Cold Smarter) создано группой британских специалистов по инициативе Бирмингемского энергетического института. Несмотря на высокое внимание, которое большинство стран уделяет защите окружающей среды, вопросы обеспечения холода (в отличие от обеспечения теплом) до сих пор в значительной степени игнорируются. На рынке уже присутствуют продвинутые технологии, позволяющие сделать холодовую цепь экологически безопасной.

Задача исследования «Сделаем холод умнее» — привлечь внимание учёных, экспертов, бизнесменов и государственных служащих к этим возможностям и поддержать распространение концепции «Экономики холода», рассматривающей интегрированное, общесистемное использование холода и тепла в экономике. Мировой рынок экологически чистого холода еще не сформирован, что создаёт возможности для российских компаний, специализирующихся на холодовых процессах, двигаться в русле мировых тенденций одновременно с лидерами рынка.

Холод жизненно необходим

Охлаждение жизненно важно для многих аспектов современной жизни. Без охлаждения стали бы невозможны поставки продовольствия, медикаментов, электроэнергии и данных.

Небольшую распространенность технологий охлаждения в развивающихся странах можно рассматривать как один из вызовов, связанных с ростом населения мира до 10 миллиардов человек к 2050 году, влияющих на ряд глобальных кризисов — в обеспечении продовольствием, энергией и водой.

К 2050 году спрос на продовольствие увеличится на 70%, но, по оценке Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (FAO), продовольственные потери будут составлять треть от объема производства. Большая часть продовольственных потерь происходит на этапе транспортировки между фермой и точкой розничной торговли, что является проблемой для развивающихся стран.

Снизить количество потерь может холодовая цепь, представляющая собой постоянно действующую организационно-технологическую систему, которая поддерживает температурный режим на всем пути движения грузов, перевозимых при соблюдении контроля необходимой температуры от производителя до конечного потребителя. По оценке Международного института холода, если бы в развивающихся странах был бы такой же уровень развития холодовой цепи, как в развитых странах, то это бы спасло примерно 200 млн тонн еды, или 14% пищевых ресурсов. По экспертным оценкам сокращение вдвое пищевых потерь позволило бы накормить 1 млрд. человек, что больше 800 млн, которые хронически недоедали в 2012 — 2014 гг.

Холод загрязняет окружающую среду

При всех преимуществах внедрение технологий холода наносит ущерб окружающей среде. Согласно исследованию ученых из Университета Саут Бэнк Лондон, на охлаждение и кондиционирование воздуха приходится 16% от общих расходов электроэнергии в Великобритании и 10% выбросов парниковых газов. Согласно данным правительства Германии на охлаждение приходится 7% эмиссии парниковых газов, и к 2030 году эта доля увеличится до 13%.

Кроме выбросов парниковых газов, холодовая цепь наносит вред окружающей среде токсичным загрязнением. Например, некоторые холодильные установки выбрасывают оксиды азота и твердые частицы. К тому же, многие передвижные холодильники в качестве источника энергии используют дизельные генераторы, активно загрязняющие окружающую среду.

Спрос на оборудование холодовой цепи растет во многом за счет роста населения в развивающихся странах и постепенно увеличивающейся температуры окружающей среды, вызванной изменениями климата. Так, например, индустрия холодовой цепи Китая растет примерно на 25% каждый год, а увеличение количества холодильных установок приводит к росту потребления электроэнергии в мире.

При этом образуются «петли обратной связи» в экосистемах. Наиболее очевидная цепь обратной связи: чем больше ископаемого топлива мы сжигаем, чтобы что-то охладить, тем больше выбросов углекислого газа, тем «жарче» становится планета, тем больше нам надо сжечь ископаемого топлива, чтобы охладить планету.

Другая цепь приводит к эффекту «городского острова тепла», который заключается в повышении температуры воздуха в городе относительно окружающих его сельских областей. Это происходит из-за того, что тепло от солнца поглощается асфальтом и бетоном, вынуждая охлаждающее оборудование работать больше. Кондиционеры воздуха тоже излучают тепло в местную окружающую среду, тем самым формируя потребность в еще более интенсивном охлаждении.

Было подсчитано, что этот эффект отвечает за 5−10% от объёма городского пика использования электроэнергии для кондиционирования воздуха в городах США. Автомобили также производят тепло, тем самым принуждая к еще большему использованию кондиционирования воздуха в машинах и зданиях.

При этом человечество обладает огромными неиспользуемыми ресурсами — отходами, которые могут быть повторно использованы для уменьшения негативных экологических последствий, причиненных нашими потребностями в холоде. Примером таких ресурсов являются холодные отходы от сжиженного газа при его регазификации (в Великобритании это может обеспечить около 22% текущего спроса на холод), тепловые отходы, которые могут быть превращены в холод с помощью абсорбционного охладителя, а также энергия, произведенная в непиковое время, например, ночью.

Экономика холода

«Экономика холода» — это новая концепция, использующая системный подход и подразумевающая включение большого количества неиспользованных ресурсов от отходов холода, «свободного» холода, избыточного тепла, возобновляемого тепла и энергии в непиковое время (ветровая или атомная энергия, выработанная ночью, во время низкого потребление энергии), чтобы повысить эффективность охлаждения и уменьшить его стоимость и влияние на экологию. Концепция «экономики холода» была разработана Тоби Питерсом — приглашенным профессором Бирмингемского университета и генеральным директором компании «Диармэн», которая занимается поставки экологически чистой энергии и холода.

По экспертным оценкам, «Экономика холода» позволит сократить выбросы углекислого газа и вредных элементов в атмосферу, улучшить энергетическую и продовольственную безопасность. Использование отходов холода от регазификации импортируемого СПГ позволит увеличить общую эффективность охлаждения в стране в восемь раз и сократить расходы на охлаждение более чем на 1 млрд. фунтов.

Ключевое свойство «экономики холода» состоит в хранении и транспортировке холода подобно теплу, вместо того чтобы преобразовывать его в электроэнергию и потом опять конвертировать в холод. В «экономике холода» речь идет не только о технологиях холода, а об эффективной интеграции систем охлаждения с отходами и возобновляемыми ресурсами и с энергетической системой. По экспертным оценкам КПД холодовой цепи Великобритании увеличился бы с текущих 1,6 до 13%, при использовании половины холодных отходов от СПГ.

В рамках «экономики холода» рассматривается спрос не на холод как таковой, а на услуги, которые зависят от него (охлаждение пищевых продуктов, помещений и т. д.). Поскольку услугой является охлаждение, рассматриваемое системно, то текущие способы (использование дизельного топлива, которое вырабатывает электроэнергию и тепло, или кондиционеров, излучающих тепло в окружающую среду) не являются оптимальными.

«Экономика холода» учитывает весь экологический след охлаждения, включая эмиссию парниковых газов, токсичных газов и пр., и исследует вопросы выбора наиболее эффективного энергоносителя. Например, для кондиционирования воздуха в пиковое время дешевле использовать лёд, произведённый за счёт потребления электроэнергии не в пиковое время, вместо зарядки дорогого литий-ионного аккумулятора для питания кондиционера.

Для перехода к «Экономике холода» необходимо пройти четыре стадии:

1. Сократить требуемый объём охлаждения, благодаря лучшему дизайну помещений и/или изменению свойств сохраняемых товаров (например, созданию более теплоустойчивых вакцин);

2. Сократить энергозатраты на охлаждение, т. е. повысить эффективность технологий охлаждения (например, в промышленных рефрижераторах);

3. На системном уровне:

a. Использовать отходы в качестве ресурсов: дешёвую возобновляемую энергию в пиковые периоды, отходы холода при сжижении природного газа, возобновляемое тепло биоэнергетики и геотермальных источников, системы интеграции в зданиях и на транспорте;

b. Хранение электроэнергии и накопленного холода на складах, для удовлетворение спроса на энергию в пиковые периоды;

4. Использование устойчивых источников энергии для энергоснабжения холодильных установок.

Для развития «Экономики холода» необходимы инновации в ряде областей:

• Предложение более эффективных технологий охлаждения;
• Разработка новых типов промышленных и бытовых холодильников с более низким воздействием на окружающую среду и постепенный отказ от комбинированных оптических коаксиальных кабелей;
• Синтез передовых конструкционных материалов для хранения холода;
• Вывод на рынок бытовых приборов, способных подсоединяться к локальным системам охлаждения;
• Усовершенствование промышленных криогенных технологий, например, систем полной реконденсации;
• Эволюция технологий тепловых насосов.

Внедрение подхода «Экономики холода» будет способствовать:

• более широкому использованию отходов тепла и холода, энергии, выработанной возобновляемыми источниками в пиковые периоды;
• развитию криогеники как направления хранения и транспортировки холода и энергии;
• появлению более эффективных технологий и материалов.