Technologie

Effizient Kühlen ohne Kältemittel

Energieeffizient und CO2-arm Kühlen trägt zur erfolgreichen Energie- und Wärmewende bei. Deshalb entwickeln deutsche Wissenschaftler ein Kühlgerät ohne Kältemittel und hohem Wirkungsgrad.


Klimafreundlich Kühlen

Die Temperaturen auf der Erde steigen und der Bedarf an Kühlung wächst stetig. Geräte zum Kühlen sind noch vor Autos ein wichtiger Hebel, um CO2-Emissionen zu reduzieren. Laut einer Studie verdoppeln sich die energiebedingten CO2-Emissionen bis 2030 in diesem Bereich. Der Energiebedarf könnte sich dafür in Mitteleuropa nach Berechnungen von Wissenschaftlern um den Faktor 20 erhöhen.

Die Nachfrage an Klimatisierungen von Räumen und ganzen Gebäuden ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Die verwendeten Kältemittel sind in über 95% der Anlagen äußerst umweltschädlich. Gefragt sind in Zukunft leistungsstarke, effiziente und klimafreundliche Kühlgeräte. Deshalb entwickeln die Fraunhofer Forscher Kühlschränke mit bislang unerreichtem Wirkungsgrad.

Klimatisierung und Kühlen in Gebäuden

Kühlen mit dem magnetokalorischen Effekt

Herkömmliche Kühlschränke nutzen Kompressoren zur Kältemittelerdichtung. Kältemittel sind fluorierte Kohlenwasserstoffe (F-Gase bzw. FKW), die den Treibhauseffekt massiv verstärken, wenn sie in die Atmosphäre gelangen. In der europäischen F-Gase-Verordnung sind Maßnahmen zur Reduzierung von Kältemittel Emissionen aus Kälteanlagen getroffen worden. Konkret sollen die Emissionen bis 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 verringert werden. Deshalb benötigen wir neue klimafreundliche Technologien.

Wissenschaftler vom Fraunhofer Institut für physikalische Mess­technik IPM haben nun ein Kühlschrank auf Basis des magnetokalorisches System ­vorgestellt. Die Vorteile sind unteranderem die hohen Leistungen, welche mit hohen Wirkungsgraden verknüpfen sind. Zudem ist das Kältemittel außerordentlich umweltfreundlich: Wasser.


Funktion & Aufbau

Der magnetokalorische Effekt bezeichnet das Phänomen einer Temperaturerhöhung in einem Material, wenn dies einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt wird. In magnetokalorischen Materialien richten sich die magnetischen Dipole nach einem Magnetfeld aus und erwärmen sich dabei. Schaltet man das Magnetfeld wieder ab, fallen sie in die ursprüngliche Unordnung zurück, das Material kühlt ab.

effizient Kühlen mit dem magnetokalorische Effekt
Grafikquelle: Energie-Experten.org

Durch die periodische Magnetisierung und dem gleichzeitigen Abführen der entstehenden Wärme kann eine Kühlwirkung erreicht werden. Um daraus Kühlsysteme zu bauen, werden rotierende Magneten, die das Material abwechselnd erwärmen und kühlen, genutzt.  


Effizienz und Leistungsvermögen

Damit der Kühlschrank mit dem magnetokalorischen System die Leistung von klassischen Geräten erreicht, muss der Magnet mindestens 10-mal in der Sekunde um die eigene Achse rotieren. Das Leistungsvermögen ist also von der Drehzahl des Magneten abhängig. Das Problem? – Mit der Leistung steigt auch das benötigte Kühlmittelvolumen und damit der Stromverbrauch der Kühlmittelpumpe.

Deshalb verzichtet die neu entwickelte Technologie vollkommen auf elektrische Pumpen. Verwendet wird eine sogenannte „Heatpipe“ oder auch als Wärmerohr bekannt. Eine Heatpipe ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Mit dieser Technik können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche transportiert werden. Den Kern des Kühlsystems bildet die Heatpipe. Diese besteht aus kreisförmig angeordneten Kühlkammern. Als Material wird eine umweltfreundliche, magnetokalorischen Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung verwendet.

Der rotierende Magnet erhitzt in der ersten Kammer Wasser, welches sehr schnell verdampft. Beim Übergang vom flüssigen ind den gasförmigen Zustand kann Wasser sehr viel Energie aufnehmen. Dabei wird der Verdampfungsprozess genutzt, um möglichst viel Wärme auf das Kältemittel zu übertragen. Der steigende Druck der Wasserdampfwolke ermöglicht die Überströmung in die nächste Kammer ohne elektrische Pumpe. Dort entspannt sich das Gas und kondensiert, um anschließend wieder verdampft zu werden. Mit diesem Prozess nimmt das Wasser jede Kammer immer mehr Wärmeenergie auf. Zum Schluss wird die Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben.


Fazit effizient Kühlen

Bis jetzt ist es gelungen drei Kammern zu durchströmen. Die Systemleistung beträgt dabei ca. 300 Watt. Zum Vergleich, ein Kompressor-Kühlschrank arbeitet mit 50 bis 100 Watt. Das langfristige Ziel besteht darin, 50 Prozent des theoretisch maximalen Wirkungsgrades zu erreichen. Zurzeit haben magnetokalorische Kühlgeräte durch die kompressionsfreie Technik einen Effizienzvorteil von etwa 40 Prozent.

Die Entdeckung liegt schon knapp 140 Jahre zurück. Aktuell sorgen erste Alltagsanwendungen für Kühlung oder Wärme für Aufsehen, obwohl auch hier erste Patente schon über 40 Jahre alt sind. Das magnetokalische System ist natürlich nicht nur auf Kühlschränk anwendbar. Diese Technologie könnte theoretisch die Wärmepumpen revolutionieren.


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Christoph Buchinger

Blogger & Gründer des EnergiesparBlog´s