Исследователи из Техасского университета A&M разрабатывают обманчиво простое решение для перегруженной энергосистемы: здания с охлаждением льдом.
Этот подход, известный как аккумулирование тепловой энергии или «ледяные батареи», использует энергию для замораживания жидкости ночью, когда большинство людей спит и спрос на электроэнергию ниже. Замороженная жидкость хранится, а затем тает, чтобы охладить здание в часы пик. В случае успеха это приведёт к снижению потребления электроэнергии для кондиционирования воздуха днём, что может уменьшить общий спрос на энергию и снизить затраты.
Творческие решения в области охлаждения
Подобные креативные решения, представленные в журнале The Journal of Physical Chemistry, могут сыграть более заметную роль в ближайшие годы, поскольку рост центров обработки данных (ЦОД), требующих постоянного охлаждения, продолжает создавать нагрузку на энергосистему.
Ледяные батареи уже используются в бизнесе
Ледяные батареи уже вышли из лабораторий и работают в реальных условиях. Один из наиболее ярких примеров — знаменитый 30-этажный небоскрёб Eleven Madison на Манхэттене. Сообщается, что для охлаждения здания в часы пик используется 500 000 фунтов льда каждый день. Это примерно эквивалентно трём городским автобусам, заполненным кубиками льда.
Компания Trane Technologies Commercial HVAC Americas, ответственная за систему охлаждения небоскрёба Eleven Madison, сообщила CBS News ранее в этом году, что использование ледяных батарей снижает общие расходы на охлаждение до 40%.
«Когда все остальные используют электричество в середине июля для охлаждения своих зданий или домов, это создаёт большую нагрузку на сеть, — сказала президент Trane Холли Папер в интервью CBS. — Это здание не будет потреблять столько энергии, потому что лёд был сделан прошлой ночью».
Рынок хранения тепловой энергии на основе льда в последние годы значительно вырос. Только компания Trane (одна из полудюжины компаний, работающих в этой сфере в США) утверждает, что сделала более 4 000 установок по всему миру. Однако это лишь малая часть всех зданий. Только в США насчитывается около шести миллионов коммерческих зданий.
Не все ледяные батареи одинаковы
Однако для охлаждения воды также требуется энергия. Именно здесь и проводятся исследования командой из Техасского университета A&M. Системы ледяных батарей обычно используют гидраты солей в качестве химического связующего для превращения жидкостей в лёд. В процессе преобразования гидраты солей взаимодействуют с различными химическими веществами, называемыми «частицами зародышеобразования», для замораживания жидкостей.
Конкретный тип используемых частиц зародышеобразования и точные температуры их взаимодействия могут существенно повлиять на общую надёжность и эффективность систем ледяных батарей. Оптимизация состава частиц зародышеобразования и гидратов солей может снизить количество энергии, необходимое для производства льда. Использование меньшего количества энергии в этом процессе приводит к большей экономии средств для владельцев зданий, которые устанавливают эти системы.
Химический состав также влияет на совместимость ледяных батарей с определёнными типами систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) или тепловыми насосами. В этом конкретном случае частицы зародышеобразования с элементом барием лучше всего запускают процесс замерзания.
Профессор кафедры материаловедения и инженерии Техасского университета A&M Патрик Шамбергер сказал в заявлении: «Технология ледяных батарей существует уже некоторое время. Но есть проблемы с материалами, которые меня интересуют: какой материал подходит для нужной температуры? Можем ли мы сделать его обратимым? Сможем ли мы сделать так, чтобы он прослужил 30 лет?»
Ледяные батареи могут помочь охладить будущие ЦОД
ЦОД, всё чаще используемые для питания продвинутых моделей искусственного интеллекта, требуют огромного количества электроэнергии. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2024 году на ЦОД приходилось около 1,5% мирового потребления электроэнергии — эта цифра, как ожидается, утроится к 2030 году, поскольку страны стремятся построить более быстрые и мощные системы искусственного интеллекта.
Потенциальная экономия выходит за рамки ЦОД. На кондиционирование воздуха приходится около 20% общего потребления энергии в домах и на предприятиях, а в особенно жаркие летние дни этот показатель может вырасти почти до 70%.
Ледяные батареи, конечно, не панацея, но их широкое внедрение может помочь решить надвигающуюся энергетическую дилемму. При масштабировании они могут снизить общее потребление энергии, что, в свою очередь, уменьшит потребность в создании новых источников энергии.
«Мы не хотим решать проблемы энергосистемы путём строительства новых электростанций, — сказал Шамбергер в заявлении. — Это очень дорогостоящее решение, и в целом тарифы придётся повысить».
В каком-то смысле ледяные батареи используют современную химию для возрождения процесса, уходящего корнями в прошлое. Как пишет Никола Твилли в своей недавно выпущенной книге «Обморожение», современная концепция электрического охлаждения, с которой мы знакомы, была по-настоящему изобретена только в XX веке. До этого охлаждение, будь то для званого ужина или для питания глобальной цепочки поставок мяса и продуктов, основывалось на быстрой транспортировке тающего льда.
«Ещё в 1907 году Нью-Йорк, уже будучи современным мегаполисом, полным автомобилей и небоскрёбов, полагался на естественный лёд, добываемый из озёр выше по течению и доставляемый вниз по реке Гудзон на баржах», — пишет Твилли.
Теперь, более чем сто лет спустя, похоже, что лёд может вернуться.