Undgå en energikold crunch med mere effektiv køling

Når temperaturen stiger, klimaanlæg tændes. Køling kræver masser af energi - hvilket belaster elnettet og driver emissioner i lande, der stadig er afhængige af fossile brændstoffer.

Næsten 20% af den elektricitet, der bruges på verdensplan, bruges til køling af bygninger. Venstre ukontrolleret, dette tal kunne tredobles inden 2035. En løsning:udvikle teknologier til at gøre køling mere effektiv.

Forskere fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) udvikler en alternativ køleteknologi, der anvender adsorption (med et 'd') - vedhæftning og frigivelse af kølemiddelforbindelser af et adsorberende materiale. På jagt efter forskellige nanoporøse materialer som adsorbenter, forskere vendte sig til kovalente organiske polymerer (COP'er). COP'er kan adsorbere tre gange mere kølemiddel end de bedste tilgængelige alternativer, hvilket resulterer i mere effektiv afkøling.

Men historien om, hvordan denne nylige opdagelse opstod, er lidt uventet. Små fejl i materialet øgede adsorptionen på en perfekt ufuldkommen måde.

"Det var usædvanligt - ved du? Vi vidste, at der skete noget uforklarligt med vores resultater, men var ikke helt sikker på hvorfor, "sagde Radha Motkuri, en kemisk ingeniør fra PNNL, der ledede undersøgelsen, som blev valgt som en HOT -artikel og i top 10% af publikationer i Angewandte Chemie .

Mere effektiv køling ... ved et uheld

Nogle af verdens store opdagelser blev gjort ved et uheld, såsom nylon, opfindelsen af ​​mikrobølger, eller endda brudsikkert glas. I tilfælde af afkøling, nogle små fejl førte til stor indsigt.

I det sidste årti har Pete McGrail, en PNNL Laboratoriestipendiat, og Motkuri, sammen med deres team, har studeret materialer, der er mere effektive til at adsorbere almindelige kølemidler, der bruges i deres adsorptionskøleteknologi. De har gjort store fremskridt med at konstruere forskellige typer porøse materialer, der er vært for kølemidler. Men de troede, at der kunne være uudforsket potentiale i andre nanoporøse materialer, herunder COP'er.

"Efterhånden som klimaspørgsmål fortsætter med at vokse, finde måder at reducere energiforbruget, såsom gennem alternativ og mere effektiv køling, er et absolut must, "sagde McGrail." Denne forskning bygger på vores 2017 R&D 100 prisvindende køleteknologi. "

Polymerer bruges i alle samfundslag, fra shampoo til rumdragter. De kan kombineres med andre elementer til forskellige formål - når de kombineres med kulstof, for eksempel, de kan vendes til polyester og nylon.

Teamet testede 23 forskellige COP'er for at se deres potentiale for adsorptionskøling eller nedkøling. Mest plateauede med lav adsorptionskapacitet, hvilket betyder, at de ikke kunne adsorbere mere og blev maksimeret. Men, to gjorde det ikke - adsorptionen steg. Og blev ved med at klatre.

"Vi troede, at der var noget galt med instrumentet, da vi testede adsorptionskapaciteter. Priserne var langt højere, end vi havde forventet, "sagde Motkuri.

Så, de prøvede igen. De fik de samme resultater. To forbindelser, kaldet COP-2 og COP-3, havde skyhøj adsorptionskapacitet. De var så høje, at det var ud over, hvad forskerne forventede. Så, Motkuri kontaktede en samarbejdspartner i Frankrig, Guillaume Maurin ved University of Montpellier, med ekspertise i molekylære simuleringer til at forudsige adsorptionen af ​​disse to polymerer.

Som en slank, COP-2 og COP-3 er kemiske ringe af kulstof og nitrogen, alle stablet sammen. De var nødt til at pakke hvert lag ud for at se, hvordan det påvirkede adsorption.

Underligt, de simulerede COP-2- og COP-3-strukturmodeller førte ikke til adsorptionsniveauer, de så på laboratoriebænken. I simuleringerne adsorptionsplateauet. I laboratoriet, imidlertid, den steg eksponentielt.

"Det var da vi indså, at der var noget andet, der foregik, "sagde Motkuri." Og, vores team havde en idé. "Baseret på tidligere arbejde, forskerne vidste, at små defekter spiller en interessant rolle i adsorption. "Hvad hvis vi tilføjede defekter til disse COP -strukturmodeller i simuleringen?"

Defekter, der er alt andet end defekte

Maurin og hans team brugte simuleringer til at skabe små huller, eller defekter, i materialet ved at fjerne nogle af de kemiske træk fra ringene.

"Det var da vi så noget magisk ske, "sagde Motkuri. Adsorptionen steg, og adsorptionen for de stærkt defekte polymerer stillede op med laboratorieresultaterne.

De fandt ud af, at strategiske defekter forbedrer adsorption i COP'er, som forklarede de øgede satser, de så i laboratoriet.

"To af de COP'er, vi testede i laboratoriet, havde defekter til at begynde med, "sagde Maurin." Nogle gange ordner tingene sig, også når det er lidt uventet. "

Hvorfor er effektiv køling så vigtig for klimaet?

Afkøling er ikke kun for komfort på en varm sommerdag. Ekstrem varme er en dødelig sundhedsfare. Med stigende globale temperaturer, nogle befolkede regioner kan blive for varme til at være beboelige visse dele af året.

Derudover fremtidige strømkrav forventes at stige, og aircondition kræver allerede en masse energi. I 2019, 8,5% af det amerikanske elforbrug var fra klimaanlæg, ifølge Det Internationale Energiagentur. I hele verden, elektriske net kan blive overvældet, når antallet af kølesystemer stiger, befolkningen vokser, og indkomster stiger, giver flere mennesker råd til klimaanlæg.

Dette bliver særlig vigtigt i områder, hvor energi ikke kommer fra grønne kilder. Aircondition forventes at stige betydeligt i lande, hvor det i øjeblikket er mindre almindeligt, såsom Indonesien eller Indien.

Højtydende klimaanlæg kunne reducere energibehovet til køling til det halve. Udvikling af teknologier i arbejdet mod mere effektiv køling er et centralt mål, især fordi den energi, der kræves til køling, forventes at tredobles i løbet af de næste tre årtier. Teknologiudvikling til mere effektiv køling kan hjælpe med at afbøde udfordringer i en verden, der hurtigt opvarmes.