Почему в домашних кондиционерах до сих пор используются супер-парниковые газы?

Автор: Форрест Яндола, основатель компании DeepScale, которая была приобретена Tesla в 2019 году. Сейчас он является руководителем отдела перцепции в Anduril Industries.

Кондиционеры являются основным источником парниковых газов. В списке Project Drawdown за 2017 год из более 100 имеющихся возможностей по уменьшению глобального потепления, вызванного деятельностью человека, самые чистые технологии для охлаждения и кондиционирования воздуха находятся на самом верху.

Итак, что такого грязного в кондиционере, установленном в моем доме? Поскольку я использую солнечную энергию, энергия для работы кондиционера не является проблемой. Но, чтобы отвести тепло из дома и передать его теплообменнику на заднем дворе, кондиционер использует хладагент.

Разоблачение хладагентов

С 1930-х по 1980-е годы хладагенты создавали две основные экологические проблемы: они были чрезвычайно мощными парниковыми газами и наносили ущерб озоновому слою. Благодаря быстро принятому законодательству в 1980-х годах хладагенты, наносящие ущерб озоновому слою, больше не используются. В шкале Regreen, основанной на данных об уровне качества воздуха и используемой для отслеживания лесных пожаров, эти разрушающие озоновый слой хладагенты описываются как хладагенты «уровня 0».

Несмотря на весь прогресс 1980-х годов, мы по-прежнему используем суперпарниковые газы в качестве хладагентов. Каждый домашний кондиционер поставляется с наклейкой сбоку, где находится подробная информация о его хладагенте. В моем кондиционере содержится 10 фунтов хладагента под названием R-410a (уровень 1 по шкале Regreen). Если весь этот хладагент вытечет, это вызовет такое же глобальное потепление, как сжигание 1100 галлонов бензина — другими словами, 110 баков бензина на 10-галлонном бензобаке.

И, по всей вероятности, хотя бы часть хладагента вытечет. С юридической точки зрения, Агентство по охране окружающей среды США требует, чтобы домовладельцы чинили протекающие кондиционеры. Специалисты по кондиционированию воздуха утверждают, что к ним поступает множество звонков по поводу устранения утечки хладагента в кондиционерах. Но  в большинстве случаев из кондиционера уже вытекло столько хладагента, что он больше не в состоянии охлаждать дом. Этот хладагент просочился в атмосферу и нагревает нашу планету.

Не каждый тип холодильного оборудования так грязен, как бытовой кондиционер. Европейский союз запретил с 2017 года использование супер-парниковых газов в новых автомобильных кондиционерах, и более половины новых автомобилей в США теперь также используют чистые хладагенты.

Агентство по охране окружающей среды запретило использовать супер-парниковые газы в новом холодильном оборудовании супермаркетов, начиная с 2024 года. Многие сети супермаркетов быстро переходят на чистые хладагенты. Агентство по охране окружающей среды рассчитывает к 2025 году отказаться от хладагентов, вызывающих парниковый эффект, в новых бытовых холодильниках.  Холодильники с чистыми хладагентами уже доступны для потребителей. В 2021 году США приняли законы, согласно которым к 2036 году продажи хладагентов, вызывающих парниковый эффект, должны сократиться на 85%.

А вот бытовые кондиционеры остаются пробелом в этом законодательстве. Как домовладелец, который заботится об окружающей среде, я хотел бы установить центральный кондиционер, который не использует супер-парниковые газы. Я даже готов был стать первопроходцем и заплатить значительно больше, стоимости обычного кондиционера. Но, насколько мне известно, такой кондиционер не доступен для потребителей в США.

Возможные решения: Существующий чистый хладагент и новый кондиционер

Другие отрасли, такие как торговое холодильное оборудование и автомобильное кондиционирование воздуха, уже добились значительного прогресса в переходе на чистые хладагенты. В автомобильных кондиционерах самым популярным хладагентом в США и ЕС является хладагент R-1234yf (уровень 4 по шкале Regreen), который с точки зрения глобального потепления в тысячи раз чище, чем хладагент R-410a, который используется в домашних кондиционерах сегодня. Кроме того, в холодильной технике супермаркетов все более популярным хладагентом четвертого уровня становится CO2. Хотя CO2 является парниковым газом, но он в тысячи раз чище, чем R-410a.

Итак, может ли следующее поколение домашних кондиционеров использовать один из этих хладагентов, которые так хорошо зарекомендовали себя в различных отраслях промышленности? Чтобы выяснить это, я поговорил с профессором машиностроения Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне Пегой Хрняк, которая последние 30 лет занимается изучением технологий охлаждения и кондиционирования воздуха.

Во-первых, можно ли использовать R-1234yf из автомобильной промышленности в бытовых кондиционерах? По словам профессора Хрняк, технически это сработает, но есть проблема. R-1234yf невозможно сжать также сильно, как R-410a, поэтому трубки и другие компоненты кондиционера на основе R-1234yf должны быть несколько больше и дороже.

Растущее число торговых холодильных систем использует углекислый газ в качестве хладагента, так как насчет альтернативного использования углекислого газа в домашних кондиционерах? По мнению профессора Хрняк, CO2 любит сжиматься больше, чем R-410a, и это позволяет трубкам и другим компонентам быть меньше и потенциально дешевле, чем кондиционер на основе R-410.

CO2 также является хорошим выбором в других отношениях: он недорогой и не воспламеняется. Таким образом, существует оптимистичный настрой в отношении того, что домашние кондиционеры на основе CO2 могут быть отличным решением, сочетающим в себе экономичность, энергоэффективность и, что особенно важно, они не будут оказывать такого сильного воздействия на глобальное потепление, как современные домашние кондиционеры на основе R-410a.

Многообещающим является подход к разработке новых кондиционеров, использующих более чистые хладагенты. Потребуется постепенный переход, возможно, уже к 2025 году — новые бытовые кондиционеры будут использовать чистый хладагент. Но старые домашние кондиционеры будут продолжать давать утечки и выбрасывать в атмосферу много супер-парникового газа R-410a.

Возможные решения: Новый хладагент и тот же кондиционер

Что, если бы существовал способ модернизировать современные кондиционеры с более чистым хладагентом? Несколько лет назад группа из Национального института стандартов и технологий (NIST)провела компьютерный анализ более 1 миллиона потенциальных хладагентов. К сожалению, они не нашли идеальной замены R-410a.

Однако есть и другие подходы к решению этой проблемы. Во-первых, существует возможность смешивания нескольких хладагентов для замены R-410a. Во-вторых, за годы, прошедшие после исследования NIST, системы искусственного интеллекта стали более искусными в обнаружении новых молекул и материалов. Например, искусственный интеллект сыграл ключевую роль в быстрой разработке противоковидной вакцины Moderna.

Можем ли мы использовать искусственный интеллект для изобретения нового хладагента, который сможет «привить» современные домашние кондиционеры от мощных выбросов парниковых газов? Чтобы понять это, я поговорил с профессором химического машиностроения Университета науки и технологии короля Абдуллы С. Мани Сарати. Команда Сарати использовала искусственный интеллект для прогнозирования свойств сотен типов молекул углеводородов, которые используются как в качестве топлива, так и в качестве хладагента в небольших устройствах, таких как холодильники.

На вопрос о том, сможет ли этот подход помочь в разработке более чистых хладагентов, Сарати ответил, что они уже применили этот подход для разработки возобновляемых видов топлива, которые горят чище, чем их ископаемые аналоги. Поэтому он оптимистично настроен в отношении того, что этот подход сработает для рассмотрения миллионов потенциальных молекул хладагента и точного прогнозирования их тепловых свойств. Кроме того, их  можно было бы оптимизировать для низкой токсичности и низкой воспламеняемости.

Таким образом, у этой проблемы есть как минимум два убедительных инженерных решения. Во-первых, можно разработать новые домашние кондиционеры, в которых используются более чистые хладагенты 4-го уровня, существующие на сегодняшний день. Во-вторых, можно изобрести чистый хладагент 4-й уровня для использования в кондиционерах, которые уже существуют. В общем, есть огромная вероятность того, что технология очистки домашних кондиционеров будет успешно реализована.