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Les pannes de courant causées par le climatiseur en Californie ne sont que le début

Alors que des vagues de chaleur record ont dévasté les Californiens le mois dernier, la tension collective de millions de climatiseurs a forcé les opérateurs de réseau de l'État à plonger des centaines de milliers de foyers dans l'obscurité.

Les pannes de courant continuelles n’ont donné qu’un petit aperçu de ce qui est susceptible de se produire en Californie et bien au-delà. Selon le rapport Future of Cooling de l'Agence internationale de l'énergie, la croissance démographique, l'augmentation des revenus, l'urbanisation croissante et la hausse des températures estivales pourraient tripler le nombre d'unités de climatisation installées dans le monde d'ici le milieu du siècle, poussant le total à 6 milliards.

En effet, la climatisation représente l'un des défis les plus insidieux du changement climatique et l'un des problèmes technologiques les plus difficiles à résoudre. Plus le monde se réchauffe, plus nous aurons besoin de refroidissement, non seulement pour le confort, mais pour la santé et la survie dans de grandes parties du monde.

Mais les climatiseurs eux-mêmes produisent suffisamment de chaleur pour augmenter de manière mesurable les températures urbaines, et ils libèrent également des gaz à effet de serre très puissants. De plus, ces milliards de nouvelles unités gourmandes en énergie créeront l'une des plus importantes sources de demande croissante d'électricité dans le monde.

Sans améliorations majeures, la demande d’énergie provenant du refroidissement triplera également, atteignant 6 200 térawattheures d’ici 2050, soit près d’un quart de la consommation mondiale totale d’électricité.

vallée de la mort vague de chaleur
La vallée de la mort en Californie a peut-être établi les températures les plus élevées jamais enregistrées de manière fiable, au milieu de vagues de chaleur torrides le mois dernier.
AP PHOTO / JOHN LOCHER

Malgré l'ampleur des défis croissants, il y a eu relativement peu de financement affluant dans le secteur et peu d'avancées notables dans les produits sur le marché. Mis à part la lenteur des gains d'efficacité, la technologie de base fonctionne à peu près comme lors de son introduction il y a près d'un siècle.

«Le fait que l'utilisation de la climatisation des fenêtres continue d'augmenter alors que le produit a le même aspect et fonctionne comme il l'a fait pendant des décennies parle de lui-même», déclare Vince Romanin, directeur général de Treau, une entreprise de refroidissement furtif qui développe un nouveau type. de pompe à chaleur. «Je pense que beaucoup de gens sont enthousiasmés par quelque chose de nouveau ici, mais il n'y a eu que des progrès progressifs.»

Treau fait partie d'un certain nombre de startups et de groupes de recherche qui essaient de différentes façons de créer une technologie de refroidissement plus propre et plus efficace.

Mais même si le stock mondial d'unités de climatisation devient beaucoup plus efficace, les sauts d'utilisation prévus sont si importants que la demande mondiale d'électricité continuera de monter en flèche. Cela compliquera la tâche déjà énorme de nettoyage des secteurs énergétiques mondiaux. Cela signifie que les nations n’ont pas seulement besoin de réviser l’infrastructure électrique existante; ils doivent construire des systèmes bien plus vastes que jamais – et tout faire avec des sources sans carbone.

Des milliards de nouveaux climatiseurs

Refroidir perpétuellement les vastes volumes d'air chaud qui remplissent les maisons, les bureaux et les usines est, et sera toujours, une énorme consommation d'énergie.

Le problème n’est pas simplement que de plus en plus de climatiseurs auront besoin de plus d’électricité pour les alimenter. C’est aussi qu’ils augmenteront particulièrement la quantité nécessaire aux heures de pointe, lorsque les températures sont vraiment rôties et que tout le monde fait monter son climatiseur en même temps. Cela signifie que nous devons surconstruire les systèmes électriques pour répondre à des niveaux de demande qui ne peuvent se produire que pendant quelques heures ou quelques jours par an.

Dans le comté de Los Angeles, la hausse des températures combinée à la croissance démographique pourrait augmenter la demande d'électricité pendant les heures de pointe d'été jusqu'à 51% d'ici 2060 dans un scénario à émissions élevées, selon une étude Applied Energy réalisée en 2019 par des chercheurs de l'Arizona State et de l'Université de Californie, Los Angeles.

Cela représente environ 6,5 gigawatts supplémentaires dont les opérateurs de réseau auraient besoin pour être en mesure de mettre en ligne en même temps, ou la production instantanée de près de 20 millions de panneaux solaires de 300 watts par temps ensoleillé.

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Et ce n’est que pour l’un des 58 comtés de Californie. Le monde verra des augmentations beaucoup plus importantes de la demande de climatisation dans les pays où la classe moyenne est en expansion rapide et où les vagues de chaleur deviendront plus courantes et plus graves. L’AIE prévoit notamment que l’Inde installera 1,1 milliard d’unités supplémentaires d’ici 2050, faisant passer la part d’AC dans la demande de pointe d’électricité du pays de 10% à 45%.

Nettoyage de la grille

La solution la plus cruciale doit se produire en dehors de l'industrie du courant alternatif. La transition du réseau électrique dans son ensemble vers une utilisation accrue de sources d'énergie propres, comme l'énergie solaire et éolienne, réduira progressivement les émissions indirectes de gaz à effet de serre provenant de l'énergie utilisée pour alimenter les climatiseurs.

En outre, le développement de réseaux de plus en plus intelligents pourrait aider les systèmes électriques à faire face aux tensions de pointe de climatisation. Cela implique l'ajout de capteurs, de systèmes de contrôle et de logiciels qui peuvent réduire automatiquement l'utilisation lorsque les températures extérieures diminuent, lorsque les gens quittent les espaces pendant de longues périodes ou lorsque la demande commence à se heurter à la production disponible.

Le monde peut également réduire les émissions directes du courant alternatif en passant à des réfrigérants alternatifs, les composés critiques des dispositifs de refroidissement qui absorbent la chaleur de l'air. Les fabricants se sont largement appuyés sur les hydrofluorocarbures, qui sont des gaz à effet de serre très puissants qui peuvent s'échapper pendant la fabrication et la réparation ou à la fin de la vie d'une unité. Mais en vertu d'un amendement de 2016 au Protocole de Montréal, les entreprises et les pays doivent de plus en plus passer à des options à moindre impact sur le réchauffement, telles qu'une classe de composés prometteurs connus sous le nom de HFO, certains hydrocarbures comme le propane et même le dioxyde de carbone (qui a au moins moins de un effet de réchauffement que les réfrigérants existants).

Les frigorigènes alternatifs pourraient réduire les émissions de l'équivalent d'environ 50 milliards de tonnes de dioxyde de carbone dans les décennies à venir, selon l'estimation haut de gamme d'une analyse de Project Drawdown. (Le monde a émis près de 37 milliards de tonnes au total l'année dernière, selon le Global Carbon Project.)

Il existe également des moyens clairs pour alléger les charges d'électricité nécessaires pour refroidir les bâtiments, notamment en ajoutant de l'isolation, en colmatant les fuites d'air, en installant des couvre-fenêtres ou des films et en appliquant des couleurs ou des matériaux réfléchissants sur les toits. Selon une étude antérieure du Lawrence Berkeley National Lab, la création de tels «toits frais» sur 80% des bâtiments commerciaux du pays pourrait réduire la consommation d’énergie annuelle de plus de 10 térawattheures et économiser plus de 700 millions de dollars.

Éviter le «froid crunch»

Mais en fin de compte, le nombre croissant d'unités de climatisation fonctionnant dans les maisons et les bâtiments du monde entier doit devenir beaucoup plus écoénergétique pour éviter ce que l'on appelle la «crise du froid» à venir.

L'un des outils les plus puissants pour apporter ces améliorations est la politique publique. L’AIE note que la meilleure technologie disponible est plus de deux fois plus efficace que la moyenne de ce qui est réellement utilisé dans le monde, et trois fois meilleure que les produits les plus inefficaces du marché.

Le problème est que la plupart des gens et des entreprises ne paieront pas beaucoup plus pour des systèmes plus efficaces simplement pour aider à atteindre les objectifs climatiques mondiaux, en particulier dans les régions pauvres du monde. Mais avec des mandats, des incitations ou des subventions, les nations peuvent contribuer à faire en sorte que davantage d'unités produites et vendues soient des modèles plus efficaces.

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L’augmentation prévue de la consommation d’énergie liée au refroidissement diminue de 45% d’ici le milieu du siècle selon le scénario de l’AIE qui inclut de telles politiques (et ne suppose aucune avancée technologique).

Même dans ce cas, cependant, la demande d'énergie CA augmenterait encore d'environ 70% au milieu du siècle. Cela bat le triplement. Mais la réalisation de gains supplémentaires significatifs pourrait exiger des changements plus radicaux.

Changement radical

Un certain nombre de startups essaient de pousser les choses plus loin.

Transaera, cofondée par le professeur d'énergie MIT Mircea Dincă, tente d'améliorer considérablement son efficacité en s'attaquant à l'humidité de l'air dans une étape distincte.

En plus de refroidir l'air ambiant, les climatiseurs conventionnels doivent consacrer d'énormes quantités d'énergie au traitement de cette vapeur d'eau, qui retient une chaleur considérable et la rend beaucoup plus inconfortable. Cela nécessite d'abaisser la température bien au-delà de ce que le cadran lit, afin de convertir la vapeur en liquide et de la retirer de l'air.

«C'est tout simplement incroyablement inefficace», dit Dincă. "C’est beaucoup d’énergie et ce n’est pas nécessaire,"

L'approche de Transaera repose sur une classe de matériaux hautement poreux connus sous le nom d'ossatures organométalliques qui peuvent être personnalisées pour capturer et adhérer à des composés spécifiques, y compris l'eau. L'entreprise a développé un accessoire pour les systèmes de climatisation qui utilise ces matériaux pour réduire l'humidité de l'air avant qu'il n'entre dans une unité standard. Il estime que cela peut améliorer l'efficacité énergétique globale de plus de 25%.

Transaera est finaliste du prix Global Cooling de 3 millions de dollars, un concours conçu pour accélérer les progrès de la climatisation afin de réduire les impacts climatiques. La société teste actuellement des prototypes en Inde en partenariat avec une division du géant chinois de l'électroménager Haier.

Pendant ce temps, SkyCool Systems de Burlingame, en Californie, développe essentiellement des miroirs de haute technologie qui peuvent projeter de la chaleur dans les étendues froides de l'espace, en tirant parti d'un phénomène naturel connu sous le nom de refroidissement radiatif.

Les matériaux sont conçus pour émettre un rayonnement dans une bande étroite du spectre lumineux qui peut glisser au-delà des molécules d'eau et d'autres composés atmosphériques qui, autrement, irradient de la chaleur vers la planète.

Placés sur les toits, les matériaux pourraient remplacer ou augmenter les systèmes de refroidissement traditionnels des bâtiments. L'entreprise estime que la technologie pourrait réduire l'énergie utilisée pour refroidir les structures de 10 à 70%, selon la configuration et le climat.

D'autres startups explorent des idées telles que les pompes à chaleur géothermiques, la technologie à semi-conducteurs qui évite le besoin de gaz réfrigérants et de nouveaux rebondissements sur le refroidissement par évaporation, qui repose généralement sur des coussinets imbibés d'eau pour réduire la température de l'air.

La bonne nouvelle, c'est que de l'argent commence à affluer dans le chauffage, la ventilation et la climatisation. Le cabinet de recherche CB Insights n'a suivi que huit accords de financement d'une valeur de près de 40 millions de dollars en 2015, mais 35 pour un total d'environ 350 millions de dollars l'année dernière. (Cela comprend les prêts, les investissements en capital-risque et les acquisitions.) Et il y a déjà eu 39 transactions d'une valeur d'environ 200 millions de dollars cette année.

Mais la mauvaise nouvelle est que l’augmentation du niveau de financement est minime par rapport aux dizaines de milliards qui se déversent dans d’autres secteurs de l’énergie et de la technologie – et minuscule par rapport à l’ampleur des problèmes à venir.

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