Солнечные холодильники для развивающихся стран
Поскольку изменение климата приводит к частым отключениям и перебоям в подаче электроэнергии, надёжность бытовых холодильных установок оказывается под угрозой. Новый стандарт IEC, а также инновации в области солнечной энергетики в Африке и Азии показывают, как можно обеспечить охлаждение при перебоях в подаче электроэнергии.
Когда люди думают о критически важной инфраструктуре, они обычно представляют себе железнодорожные сети, больницы или электросети. Но одна из самых важных повседневных технологий есть почти на каждой кухне — это холодильник.
В отличие от освещения, которое в экстренной ситуации можно заменить свечами, холодильник нечем заменить. Когда отключается электричество, продукты быстро портятся, лекарства теряют эффективность, а средства к существованию, зависящие от продажи прохладительных напитков или мороженого, оказываются под угрозой.
Поскольку изменение климата приводит к более частым и сильным погодным явлениям, отключения электроэнергии и перебои в подаче электроэнергии становятся всё более распространённым явлением. Сети, которые когда-то были стабильными, испытывают всё большую нагрузку. Крупное отключение электроэнергии в Иберии, которое произошло в Испании и Португалии в начале этого года, а также шторм Дарраг в Великобритании (также известный как Ксаверия в Германии) выявили уязвимые места даже в самых развитых системах.
Во многих регионах Африки и Азии люди ежедневно сталкиваются с этими проблемами. А поскольку энергосистемы Европы и Северной Америки испытывают всё большую нагрузку, их опыт начинает казаться не столько исключением, сколько предвестником будущего.
Новый стандарт для маломощных и автономных холодильников
Признавая это, МЭК доработал МЭК 63437, стандарт для бытовых и легких коммерческих холодильников, предназначенных для слабого и ненадежного или прерывистого электроснабжения, а также для автономных холодильников, предназначенных для непосредственного питания от фотоэлектрических (PV) солнечных панелей.
Патрик Бэкс, директор и совладелец голландской фирмы Re/Gent BV, руководил большей частью работы над документом в рамках IEC TC 59, технического комитета, который разрабатывает стандарты для бытовой техники. Его компания выросла из бывших научно-исследовательских лабораторий Philips по холодильному оборудованию. «Во многих регионах Африки к югу от Сахары и в других частях света нет надёжных холодильных установок», — объясняет Бэкс.
Стандарт IEC 63437 предусматривает простую классификацию. Классы энергоснабжения показывают, как долго холодильник может сохранять холод во время перебоев в подаче электроэнергии, например четыре часа работы и 20 часов перерыва. Классы напряжения указывают на диапазон колебаний, которые может выдержать прибор, — от 30 % до 200 % от номинального напряжения. Стандарт также предусматривает классы для солнечных батарей, которые представляют собой различные сигналы питания, генерируемые солнечной панелью.
«На этикетке указана информация о том, сколько времени холодильник может работать без электричества и при этом сохранять холод, а также о допустимых колебаниях напряжения. Благодаря этой этикетке люди могут выбрать холодильник, подходящий для их региона», — говорит Бекс.
Стандарт также определяет порядок проведения испытаний: как быстро холодильник охлаждается, как долго он сохраняет температуру при отключении электроэнергии и как он справляется с перепадами напряжения. Важно отметить, что стандарт не предписывает, как должен быть устроен холодильник, а лишь определяет, как следует измерять его производительность и энергопотребление.
«Если у вас есть генератор, как долго его нужно включать каждый день, чтобы холодильник оставался холодным в течение 24 часов? На такие вопросы помогает ответить этот стандарт», — говорит Дункан Керридж, старший инженер по исследованиям и разработкам, ранее работавший в SureChill, а теперь участвующий в работе IEC.
Главным препятствием было определение понятия «слабая энергосистема». «Данных о качестве энергоснабжения очень мало, — отмечает Керридж. — Есть отдельные исследования, но сделать вывод сложно, потому что они непоследовательны». Он добавляет, что правительства и энергетические компании часто усугубляют ситуацию, неохотно делясь данными о перебоях в подаче электроэнергии, опасаясь репутационного ущерба.
Тем не менее, как отмечает Керридж, мониторинг не обязательно должен быть дорогостоящим: «Вы можете собрать простые микроконтроллеры примерно за 100 фунтов стерлингов. Задача состоит в том, чтобы обеспечить их широкое распространение и гарантировать, что все они измеряют одни и те же параметры». Бекс надеется, что внедрение стандарта приведёт к расширению мониторинга. «Как только стандарт будет внедрён, он также послужит толчком к проведению исследований в конкретных регионах», — говорит он.
Сети для развивающихся стран
В то время как стандарт IEC 63437 ориентирован на бытовую технику, Керридж также помогает в составлении технического отчета о «развивающихся энергосетях» в рабочей группе IEC TC 8, которая занимается стандартизацией качества электроэнергии. В отчете будет указано, как оценивать надежность электроснабжения в странах с низким и средним уровнем дохода, что станет первым шагом на пути к глобальной согласованности. На данный момент группа сосредоточена на базовых вопросах: включено ли питание, какие диапазоны напряжения являются типичными и какие колебания больше всего вредят бытовой технике.
Наряду со стандартами исследователи тестируют новые технологии, которые сделают холодильники более устойчивыми к сбоям в электросети и автономными. Одним из перспективных подходов является прямое охлаждение от солнечных батарей, при котором охлаждение осуществляется непосредственно от фотоэлектрических панелей без использования внешних аккумуляторов. Вместо этого в холодильнике используется накопитель тепла, который поддерживает низкую температуру ночью или в пасмурную погоду.
Иван Катич, старший специалист Датского технологического института (DTI), возглавляет финансируемую Данией инициативу, изучающую, как этот подход может выйти за рамки холодильников для вакцин и внедриться в более широкую цепочку охлаждения пищевых продуктов. Масштабирование потребовало нового оборудования. Хотя на рынке переменного тока представлено множество крупных компрессоров, адаптировать их для солнечной энергии постоянного тока сложно. Команда Katic работала с датским производителем частотных преобразователей и компрессоров над разработкой регулируемого преобразователя, который может запускать стандартный компрессор непосредственно от солнечных панелей.
Затем специализированное программное обеспечение регулирует энергопотребление в зависимости от количества солнечного света. «Мы доказали, что это возможно, — говорит Катич. — Преобразователь может автоматически адаптироваться, поэтому холодильник продолжает работать даже при колебаниях напряжения».
Примеры из Кении и Филиппин
Чтобы доказать жизнеспособность концепции, в рамках проекта создаются демонстрационные установки: морозильные камеры для рыболовецких общин в Кении и холодильники для производителя молочной продукции на Филиппинах. В Кении проблема стоит особенно остро: для заморозки рыбы требуется большое количество энергии, а перебои в подаче электроэнергии могут привести к порче улова. Решение заключается в установке внутри морозильных камер накопителей тепла на основе солёной воды, которые поддерживают минусовую температуру в течение ночи. «Идея заключается в том, что содержимое остаётся холодным даже при перебоях в подаче электроэнергии. Таким образом, рыба сохраняется, а потери сокращаются», — говорит Катич.
В рамках проекта, реализуемого в сотрудничестве с WWF, будет проверено, может ли эта технология способствовать развитию местного рыболовства и сокращению отходов. На Филиппинах цель состоит в том, чтобы помочь молочным заводам сохранять молоко холодным в сельских районах, где электроснабжение ненадёжно. Оба пилотных проекта предоставят полевые данные о производительности и затратах, необходимые для масштабирования.
Но коммерциализация по-прежнему сопряжена с трудностями. Шкафы со встроенными накопителями на основе материалов с фазовым переходом (PCM) стоят дорого, а сложные преобразователи и программное обеспечение увеличивают расходы. В то же время конкуренция со стороны солнечных систем с аккумуляторами может снизить привлекательность автономных устройств. «У распределённых небольших систем многообещающее будущее, но для более крупных коммерческих промышленных систем может быть выгоднее создать локальную сеть, на которую можно положиться», — говорит Катич. Он сохраняет оптимизм: «Если холодильники станут более совершенными, а их стоимость снизится, это будет хорошая технология».
Стандарты МЭК также могли бы помочь в области солнечных тепловых технологий: IEC TC 117 готовит стандарты для солнечных тепловых электростанций и все чаще рассматривает возможность стандартизации применения солнечных тепловых установок в промышленности.
Уроки для Глобального Севера
Несмотря на то, что стандарт IEC 63437 и пилотные проекты Katic были разработаны для стран Глобального Юга, изменение климата стирает границы между «развивающимися» и «развитыми» сетями. «Применение слаботочных холодильников в сочетании с интеллектуальными сетями в развитых странах также является ожидаемой тенденцией будущего. Идея состоит в том, чтобы использовать электричество, когда оно доступно и дёшево, и не использовать его, когда оно в дефиците и стоит дорого», — говорит Бек.
«Я не знаю, насколько серьёзными будут последствия изменения климата, но если в развитых странах ухудшится ситуация с поставками и энергосистемами, то, конечно, можно будет использовать этот стандарт», — добавляет он. Керридж согласен. Для бытовых холодильников могут помочь такие простые меры, как закрытие дверцы во время перебоев в подаче электроэнергии. Но для больниц и аптек ставки выше. «Речь идёт об уязвимости и критичности нагрузки. Во время урагана «Дараг» аптеке моей жены пришлось заменить лекарства после 24-часового отключения электроэнергии», — вспоминает он. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) уже принимает это к сведению. У неё есть собственная электронная система предварительной квалификации (ePQS) для холодильных камер для вакцин, работающих от прерывистых и солнечных источников питания, и, по словам Бекса, есть заинтересованность в том, чтобы в будущем работа соответствовала стандартам IEC.
Работа Катика также показывает, как может выглядеть следующее поколение решений: солнечные холодильники без батарей, которые будут использоваться на рыбных промыслах, молочных фермах и малых предприятиях. Сочетая технические стандарты с инновационным дизайном, исследователи надеются сделать охлаждение более надёжным для всех.