О развитии техники низких температур

Развитие техники низких температур в мире имеет преимущественно эволюционный характер. Работа промышленных холодильных систем, компрессорных и адсорбционных, основана на дросселировании холодильного агента. Этому способу получения холода почти 200 лет. Другие способы производства холода в промышленных масштабах не разрабатываются. В компрессорах используются объемный и динамический принципы сжатия. Другие способы сжатия практически не развиваются.

В области малых холодильных машин активные исследования ведутся по твердотельному охлаждению, о чем свидетельствует большое число публикаций в мировой научной периодике и достаточно большое количество докладов на эту тему на последних международных конгрессах по холоду. По оценкам специалистов, может произойти вытеснение этими типами охладителей малых компрессорных и абсорбционных холодильных машин.

Лет 10 назад говорилось о том, что на долю мирового холодильного сектора приходится 15% потребляемой электроэнергии. В обзорной публикации МИХ 2019 г называется уже цифра 20%. По прогнозам МЭА и МИХ, при условии выполнения сценария по изменению климата, к 2050 г потребление энергии, например, бытовыми кондиционерами возрастет в 13 раз по отношению к 2000 г, а к концу XXI века — в 30 раз.

Согласно статистике МЭА число эксплуатируемых в мире бытовых кондиционеров в 2020 г достигло примерно 2 млрд. единиц, в 2030 г оно составит 2,5 млрд. шт., а к 2050 г — более 4-х млрд.

При этом на сегодняшний день из-за экономической ситуации в странах с жарким климатом примерно 1 млрд. человек не имеют доступа к охлаждению, т.е. проживанию и работе в комфортных условиях. Не все благополучно в мире с непрерывными продовольственными холодильными цепями, что приводит к большим потерям сельхозсырья и продовольствия.

По мере развития экономик развивающихся стран названные вызовы будут решаться, задействованные холодильные мощности станут расти. Народонаселение нашей планеты к середине века может увеличиться до 9-11 млрд. человек. Это еще один фактор роста мировых мощностей техники низких температур (ТНТ). Таким образом, можно констатировать, что масштабы применения искусственного охлаждения   в мировой экономике будут неуклонно возрастать.

На сегодняшний день основными трендами развития ТНТ являются повышение ее энергоэффективности и экологической безопасности. Собственно, это в полной мере относится к любому энергопотребляющему оборудованию.   По прогнозу МИХ, основанному на ряде исследований, в перспективе снижение удельного энергопотребления низкотемпературной техникой может составить 30%.

Снижение энергопотребления холодильными системами будет осуществляться применением эффективных компрессоров и теплообменных аппаратов, новых хладагентов и хладоносителей, технологий ТН в быту и промышленности, развитием твердотельного охлаждения, разработкой специальных экономичных циклов, дальнейшим совершенствованием автоматизации и регулирования.

Эффект обеспечит также более широкое применение аккумуляторов холода и тепла, вовлечение в оборот для целей охлаждения возобновляемых источников энергии и ВЭР.

В повышении эффективности холодильных систем именно в автоматизации и регулировании в последнее десятилетие достигнуты впечатляющие результаты. На мой взгляд, здесь еще не все резервы исчерпаны. Очевидно, нас ждет переход к широкому применению компрессоров без смазки.

Техника низких температур производит по данным за 2021 г. 7,9 % мирового выброса парниковых газов, оцениваемых в 39 млрд. тонн диоксида углерода. Две трети этих выбросов связано с потреблением электроэнергии, остальное — в основном эмиссия хладагентов.  В мире уже давно идет процесс поэтапного отказа от ГФУ.

В качестве альтернатив ГФУ расширяется применение природных хладагентов (воздух, углекислый газ, аммиак, предельные углеводороды) и гидрохлорфторолефинов (ГХФО), имеющих исключительно низкие потенциалы глобального потепления.

Международный институт холода в публикуемых аналитических информационных материалах   привлекает внимание ученых, производителей оборудования и чиновников к актуальным направлениям развития холодильной техники.

В 41-й и 45-й записках (январь и октябрь 2021 г) представлен обзор по бытовым тепловым насосам (ТН) «воздух-воздух» и высокотемпературным ТН для промышленности. Отмечается, что тепловые насосы могут сыграть важную роль в достижении глобальных целей по энергосбережению и снижению выбросов диоксида углерода. Расширение применения ТН особенно актуально в условиях экономики сегодняшнего дня, высоких цен на энергоносители в мире и неопределенностей с их поставками.

В докладах на седьмом международном саммите по ТН в октябре 2021 г в Нюрнберге отмечено, что электрические тепловые насосы будут играть центральную роль в ЕС на пути к декарбонизации отопления и охлаждения в течение следующих 10 лет и далее. В предложенной стратегии ЕС по интеграции энергетических систем предусматривается, что 40% всех жилых и 65% всех коммерческих зданий будут отапливаться электричеством к 2030 г. Для достижения названных целей необходимо довести число ТН в ЕС до 50 млн. штук к 2030 г.

43-я и 44-я записки МИХ, июнь 2021 г, посвящены рекуперации энергии в системах механической вентиляции. На строительный сектор приходится до 40% мирового спроса на энергию, поэтому снижение энергопотребления зданиями и сооружениями весьма актуально. Отмечается эффективность выпускаемых отдельными фирмами роторных теплообменников с сорбционным покрытием, в которых осуществляется совместный тепло- и массоперенос.

46-я информационная записка МИХ (январь 2022 г) посвящена системам накопления тепловой энергии. Применение аккумуляции холода и теплоты в ТНТ позволяет сократить инвестиционные затраты, эксплуатировать оборудование в оптимальных режимах при его высокой эффективности, снижать потребление электроэнергии, выравнивать нагрузки на электросети, использовать возобновляемые источники энергии. Накопление теплоты имеет большое значение при использовании ВИЭ, имеющих прерывистый характер, например, энергии солнца.

В Российской Федерации развитие холодильной отрасли идет в основном за счет импортного оборудования. Для создания и выпуска отечественных конкурентоспособных изделий необходимы инвестиции в научные исследования и разработки. В России финансирование научных исследований в области ТНТ находится на крайне низком уровне и не носит системного характера.

Российские предприятия холодильной отрасли практически не используют механизмы финансирования научных разработок, предлагаемых Минпромторгом РФ. В нашей стране значительно сократилось число научно-педагогических работников, занятых в этой сфере. Также сократилось число защит диссертаций, составляющее 6-10 диссертаций в год на всю страну, что крайне мало.

У нас нет крупных научных центров, конкурентоспособных на мировом уровне. России нужны конкурентоспособные научные структуры, способные создавать передовую технику, а также крупные производители, которые могли бы выпускать технику не только для нужд страны, но и для поставок на экспорт.

Научные центры мирового уровня нужно создавать в университетах, что помимо разработок обеспечит высокий уровень подготовки специалистов. А их финансирование должно быть многоканальным и иметь устойчивый характер.