Festkörperbasiertes Kühlen und Heizen

Neuigkeiten von der Chillventa

Die Chillventa ist die Fachmesse für Kühlen und Lüften. Sie findet alle zwei Jahre in Nürnberg statt. Die Messe ist voll von Kältemaschinen und Lüftungsapparaten. Sie brummt vor Maschinen und Menschen. Schaut man aber hinter die Gehäuse, dann findet man wenig Neues.

Die größte Umwälzung, die sich die Branche leistet, ist der Wechsel von den inzwischen überwiegend verbotenen FCKW (Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe) zu den noch erlaubten FKW (Fluor-Kohlen-Wasserstoffe). Doch wie gerade gestern mitgeteilt wurde, hat die Welt-Staatengemeinschaft gerade in Ruanda beschlossen, auch die FKW mittelfristig zu verbieten (heute.de). Sie sind zwar nicht Ozon-schädigend haben aber oft sehr hohe Klimagaswirkung. Diese wird als GWP (global warming potential) gemessen und liegt zum Teil bei dem mehrtausendfachen dessen von Kohlendioxid. CO₂ ist dabei das Bezugsmaß.

Tabelle: Treibhauspotenziale einiger ausgewählter Kältemittel

Klimaanlagen als Klimakiller

Klimaanlagen sind eines der größten Wachstumsfelder auf dem Energieverbrauchsmarkt. 14% beträgt schon in Deutschland derzeit der Anteil der Klimaanlagen am Gesamtstromverbrauch, Tendenz: steil wachsend. Auch weltweit steigt der Energiebedarf immer weiter.

Doch die Anlagenhersteller nehmen ihre Verantwortung derzeit nur begrenzt wahr. Auch die Planer und Betreiber der kühlenden Anlagentechnik fragen wenig nach den Umweltwirkungen der Anlagen, wie mir übereinstimmend viele Standbetreiber erklärten. Effizienz wird hier nur als Preiseffizienz definiert. Wie kann mit möglichst geringen Investitions- und Betriebskosten die Kühlaufgabe erledigt werden? „Nach mir die Sintflut,“ ist nach wie vor die Devise. Vor diesem Hintergrund ist die Entscheidung der Welt-Klima-Konferenz sehr zu begrüßen. Sie zwingt die Anlagenbauer dazu, sich etwas Neues einfallen zu lassen.

Dabei ließe sich mit vernünftiger Gebäudeplanung im Vorfeld häufig der Kühlbedarf minimieren oder beseitigen. Sommerlicher Hitzeschutz ist nicht die Installation einer energiefressenden Klimaanlage, sondern die Abschirmung zu viel solarer Einstrahlung, passive Kühlung, adiabate Kühlung der Luft, Prozessgestaltung mit Wärmeabfuhr, bevor der Raum erwärmt wird etc. Aber kehren wir zurück zur Messe.

Halogenierte Kohlenwasserstoffe sind gute Kältemittel. Mit ihnen lassen sich hohe Kältezahlen erreichen und sie sind in weiten Temperatur und Druckspektren einsetzbar. Das so hoch gelobte CO₂ (R744) ist als Kältemittel dagegen nur begrenzt einsetzbar. Es erfordert hohe Drücke bis zu ca. 70 bar und hat bereits bei 31,1°C seine kritische Temperatur erreicht, ist somit eher für Tieftemperaturanwendungen geeignet. Propan (R290) oder Butan (R600/a) sind dagegen für höhere Temperaturen geeignet.

Die auf dem Carnot-Prozess basierende thermodynamische Anwendung der Kältemaschine benötigt immer einen Kompressor und damit ein anfälliges, teures Bauteil das dazu auch noch viel Lärm macht. Im Kühlschrank arbeitet genau dieses Prinzip. Wer einen Kühlschrank ein paar Jahre laufen hat, weiß, dass das Brummen immer unerträglicher wird. Wenn dann auch die Kühlleistung nachlässt liegt das daran, dass irgendwann die Dichtungen nachlassen und Kühlmittel aus dem eigentlich geschlossenen Kältekreis heraus in die Atmosphäre gelangt.

Der Wirkungsgrad ist gegeben durch den thermodynamischen Prozess, die Effizienz des Kompressors und Druckverluste im System gegeben. Auch die Effizienz der Rückkühler spielt hier eine Rolle. Insbesondere, wenn viel Ventilatorleistung benötigt wird, schlägt dies in der Gesamteffizienz zu Buche.

Festkörper-Kalorik

Wie wäre es nun, wenn statt dieses Prozesses mit einem Kältemittel, das zwischen Gas und Flüssig hin und her wechselt, ein Festkörper die thermische Zustandsänderung lieferte. Daran forscht das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM unter der Leitung von Dr. Heinrich Höfler und Dr. Kilian Bartholomé. „Magnetokalorische Kühlzyklen könnten in Zukunft um bis zu 30 Prozent effizientere Kühlsysteme ermöglichen. Solche Systeme sind grundsätzlich wartungs- und geräuscharm und kommen ohne den Einsatz der umstrittenen Kältemittel aus.“ heißt es in einem Informationsblatt des IPM.

Noch eine weitere spannende Eigenschaft von Festkörpern untersuchen die beiden Forscher unter dem Titel Elasto-Kalorik. Im Versuch auf dem nebenstehenden Foto wurde dies zur praktischen Erfahrung des Standbesuchers. Durch Druck auf ein Stäbchen erhöht sich die Temperatur, die an der Oberfläche gemessen und auf dem Bildschirm dargestellt wird. Die Wärme wird an die Umgebung abgegeben, bis wieder Temperaturgleichheit hergestellt ist. Bei der Entlastung kühlt sich das Material dann ebenso stark ab und muss wieder Wärme aufnehmen, um das thermodynamische Gleichgewicht zu erreichen.

Der Prozess ist nicht viel anders als bei derjenigen in Gasen, lediglich der Phasenwechsel fehlt. Dies bedingt auch den deutlich geringeren Temperaturhub, der im Versuchsaufbau gerade einmal bei ±7 Kelvin liegt. Laut Aussage Dr. Bartholomés sind Temperaturhübe bis zu 20 Kelvin erreichbar. Für eine nutzbare Anwendung müsste also der Prozess mehrstufig werden. „Entscheidend für den Wirkungsgrad eines magnetischen Kühlzyklus ist die Effizienz der Wärmeübertragung zwischen MK-Material und Wärmeübertragereinheit. … Bei dem von Fraunhofer IPM entwickelten Heatpipe-Konzept zum Wärmeübertrag wird Wärme passiv durch das Verdampfen und Kondensieren eines Fluids in einem hermetisch abgeschlossenen Volumen übertragen. Solche auch Thermosiphon genannten Wärmeübertragereinheiten werden beispielsweise in Solarkollektoren oder in der Computerkühlung eingesetzt.“ (Aus dem bereits zitierten Infoblatt des IPM zur Magneto-Kalorik)

Zukunft des Festkörper-basierten Heizens und Kühlens

Prinzip der magnetokalorischen Kühlung

© Quelle: Fraunhofer IPM
Durch Anlegen eines magnetischen Feldes (H-Feld) wird das magnetokalorische Material (MK) erwärmt. (Schritt 1) In Schritt 2 wird das MK-Material mit einer Wärmesenke verbunden, sodass die entstandene Wärme (Q) abgeführt werden kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt (Schritt 3), kühlt sich das MK-Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann Wärme (Q) aufnehmen (Schritt 4).

Ein erster Hersteller sei, laut Dr. Bartholomé, bereits dabei, einen Kühlschrank mit einem patentierten Antrieb im Markt zu versuchen. Eine Machbarkeitsstudie aus der Schweiz hat bereits in 2006 ein Potenzial für magento-kalorisch angetriebene Wärmepumpen festgestellt und rechnet mit ca. 30 % höheren Investitionskosten.

Um das Thema weiter voran zu bringen und den Kontakt mit Forschern und Wissenschaftlern aus Wissenschaft und Industrie zu finden, veranstaltet das Fraunhofer IPM am 28. März 2017 in Freiburg einen Kalorik-Workshop.

Bildnachweise:
sämtliche Fotos von der Chillventa: O. Matthaei 2016
Kältemittelkreislauf, Grafik: erstellt in Solkane 7.0.0 von Solvay, IBMatthaei 2016
Prinzip der magnetokalorischen Kühlung, Grafik: Fraunhofer IPM, heruntergeladen von www.ipm.fraunhofer.de/ 2016

Weitere Beiträge zum Thema Kälte und Klimatechnik:
Erklärung des Prinzips des Kältekreislaufs von Martin Schlobach auf haustechnikverstehen.de: Wie funktioniert eine Wärmepumpe?
Artikel vom 30.05.2016: Zum Stand der Energetischen Inspektionen von Klimaanlagen
Leistungsangebot für gewerbliche Kunden: Energetische Inspektion von Klimaanlagen