Твердотельные кондиционеры обещают революцию в охлаждении — учёные настроены скептически

Несколько стартапов и научных групп по всему миру всерьёз взялись за разработку твердотельных систем охлаждения — альтернативы классическим кондиционерам с компрессором. Технология уже применяется в мини-холодильниках, батареях электромобилей и высокопроизводительных игровых компьютерах, однако масштабировать её до уровня жилых помещений пока не удаётся. Главный вопрос — смогут ли такие системы сравниться по эффективности с традиционными установками.

Как работает твердотельное охлаждение и кто его разрабатывает

Обычный кондиционер переносит тепло за счёт компрессора и вентилятора, которые гоняют хладагент по контуру, переводя его из жидкого состояния в газообразное и обратно. Твердотельные системы действуют иначе: тепло перемещается через проводящие материалы — например, гадолиний или теллурид висмута — без движущихся частей и без хладагента.

Бруклинская компания Mimic Systems использует термоэлектрическое охлаждение: электрический ток пропускается через полупроводниковые материалы, и тепло перетекает с одной стороны на другую. Прямо сейчас компания тестирует свою систему комнатного масштаба в жилой квартире в Ванкувере.

Немецкая Magnotherm делает ставку на магнетокалорический принцип: материал нагревается и охлаждается при намагничивании и размагничивании. Компания готовится запустить пилот в сети супермаркетов. Исследовательская группа из Гонконга объявила о создании эластокалорического устройства, материал которого меняет температуру при растяжении и сжатии — прототип способен охлаждать ниже 0 °C. Британская Barocal работает с барокалорическими системами, реагирующими на изменение давления.

Почему учёные сомневаются в масштабируемости

Главная метрика для оценки любой системы охлаждения — коэффициент производительности (COP). Для большинства современных HVAC-систем он равен 3: то есть на каждую единицу потреблённой энергии система перемещает три единицы тепла. Об этом напоминает Джефф Снайдер, профессор Северо-Западного университета, специализирующийся на электрической и тепловой проводимости.

Термоэлектрические системы при значительных перепадах температур показывают существенно более низкий COP. По словам Снайдера, это делает их пригодными скорее для нишевых задач — например, охлаждения спинки автомобильного сиденья — но не для полноценного климат-контроля в помещениях. Прамод Редди, профессор машиностроения Мичиганского университета, формулирует ключевой вопрос так: почему твердотельные охладители до сих пор уступают по эффективности классическим термодинамическим циклам — и ответа на него пока нет.

Однако эффективность — не единственный критерий, возражает Линдси Расмуссен, менеджер климатического акселератора Third Derivative при Rocky Mountain Institute, который поддерживает и Magnotherm, и Mimic. Большинство кондиционеров в США работают на хладагенте R410A, потенциал глобального потепления которого более чем в 2000 раз превышает аналогичный показатель углекислого газа. Кроме того, наличие движущихся частей снижает долговечность традиционных систем — твердотельные устройства механически проще и потенциально надёжнее.

Ещё одна проблема — нехватка реально работающих установок для сравнительных испытаний. Расмуссен подчёркивает: чтобы объективно оценить альтернативы, нужно сравнивать их реальное энергопотребление за длительный период, а не просто смотреть на COP в лабораторных условиях. Mimic, к примеру, утверждает, что её система комнатного масштаба за год должна потреблять столько же энергии, сколько обычный кондиционер.

Эластокалорические и барокалорические системы тоже выглядят перспективно, признаёт Расмуссен, но прототипы комнатного масштаба появятся не раньше чем через два-три года.

Нишевая технология с глобальным потенциалом

Полностью вытеснить компрессорные кондиционеры твердотельным системам вряд ли удастся — в этом сходятся большинство экспертов. Но по мере того как планета нагревается, а такие страны, как Индия, в ближайшее десятилетие установят десятки миллионов новых кондиционеров, даже небольшая доля рынка для альтернативных технологий имеет значение.

««Если твердотельные системы смогут занять хотя бы 5% рынка — это уже колоссальный потенциальный эффект», — говорит Расмуссен.»

Для белорусского контекста эта тема пока остаётся скорее горизонтом, чем актуальной повесткой: климат в стране не требует массового кондиционирования, а рынок HVAC-оборудования ориентирован на импорт традиционных систем. Тем не менее белорусские инженерные и IT-компании, работающие в сфере промышленной автоматизации и энергоэффективности, уже сейчас могут следить за развитием термоэлектрических и магнетокалорических решений — особенно в части охлаждения серверного оборудования и промышленной электроники, где нишевое применение твердотельных систем наиболее реалистично в краткосрочной перспективе.

— По материалам MIT Technology Review: оригинальная статья. Перевод и адаптация — редакция Digital Business.