Wie Tech die Zukunft der Klimaanlage neu definiert

Wie unser Planet erwärmt, so auch die Nachfrage nach Kühltechnik. Der Energieverbrauch für die Raumkühlung wird sich laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur von 2018 bis 2050 mehr als verdreifachen. Klimaanlagen sind jedoch Stromfresser – sie machen etwa 10% des weltweiten Stromverbrauchs aus — und enthalten ein Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel, das ein stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid ist.

„Es ist ein Teufelskreis“, sagt Umweltingenieurin Shelie Miller, Direktorin des Umweltprogramms der University of Michigan. „Es wird wärmer, also drehen wir unsere Klimaanlagen auf, die mehr Energie verbrauchen. Wenn wir mehr Energie verbrauchen, werden mehr Treibhausgase freigesetzt, wodurch es noch wärmer wird.“

Wie gehen wir mit diesem Konflikt um? Es ist ein Problem, an dessen Lösung Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten, indem sie anspruchsvollere, energieeffizientere Kühltechnologien entwickeln.

Das Konzept der Klimaanlage reicht Jahrhunderte zurück.

“ Verbesserungen in der HLK-Technologie (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) verbessern kontinuierlich die Effizienz von Kühldiensten, und die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen, die die Treibhausgasemissionen reduzieren, kann die Gesamtauswirkungen verringern „, sagt Miller. „Im Laufe der Geschichte haben die Menschen innovative Wege gefunden, um Gebäude ohne energieintensive Klimaanlagen zu kühlen.“

Das Konzept der Klimaanlage reicht Jahrhunderte zurück. Alte persische Ingenieure bauten „Badgirs“, Windfänger, die kühle Brisen zu Häusern leiten, und „Yakhchāls“, konische Strukturen zur Herstellung von Eis, die einer der ersten Kühlschränke in der Wüste waren.

1820 entdeckte der Erfinder Michael Faraday, dass das Komprimieren und Verflüssigen von Ammoniak und das anschließende Verdampfen die Luft abkühlen könnten. 1902 entwarf der Ingenieur Willis Carrier ein Gerät für die Sackett & Wilhelms Lithographing and Printing Company in New York, das Luft über mit komprimiertem Ammoniak gekühlte Spulen zirkulierte, um die Luftfeuchtigkeit beim Drucken in Farbe zu kontrollieren. Carrier verwandelte sein Design schließlich in die weltweit erste elektrische Klimaanlage, die 1925 im Rivoli Theatre am Times Square debütierte und die Tage der Sommer-Blockbuster-Filme in klimatisierten Theatern ankündigte.

Klimaanlagen galten als Luxus, als sie erstmals für Verbraucher eingeführt wurden, aber ihre Fähigkeit, Feuchtigkeit aus der Luft zu entfernen und die Lufttemperatur unter warmen Bedingungen zu senken, machte sie in heißen Klimazonen schnell zu einer Notwendigkeit. Die große Nachkriegsmigration in Amerikas Sonnengürtelstaaten wäre ohne die Verbreitung von Klimaanlagen unmöglich gewesen, ebenso wie das Wachstum tropischer Städte wie Hongkong und Singapur. (Lee Kuan Yew, Singapurs Gründervater, nannte die Klimaanlage die wichtigste Erfindung des 20.)

Kühlere Luft ist wichtig, um Produkte frisch zu halten, Medikamente und Impfstoffe zu konservieren und Rechenzentren abzukühlen, die das Internet versorgen. Cool zu bleiben hat sich als wichtig für Gesundheit, Wohlbefinden und erhöhte Produktivität erwiesen. Heute nutzen Forscher und Start-ups energieeffizientere Quellen, um die Kühle zu erzeugen, nach der wir uns sehnen — von formverändernden Metalllegierungen über erneuerbare Energien bis hin zur Kälte des Himmels.

Ein Forschungsteam der Universität des Saarlandes in Deutschland beseitigt den Bedarf an Kältemitteln durch die Entwicklung von Formgedächtnislegierungen. Das Verformen oder Ziehen eines Nickel-Titan-Drahtes oder -blechs erzeugt eine Spannung für die Legierung und erhöht deren Temperatur. Wenn das Material wieder in seine ursprüngliche Form gebracht wird, kühlt es auf etwa 20 Grad unter der Umgebungstemperatur ab.

„Die Grundidee war, einem Raum — wie dem Innenraum eines Kühlschranks — Wärme zu entziehen, indem ein vorgespanntes, superelastisches Formgedächtnismaterial sich entspannen und damit deutlich abkühlen kann“, erklärte Stefan Seelecke, Professor für intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes, bei der Bekanntgabe des Projekts.

Das Team hat einen Prototyp entwickelt, einen zum Patent angemeldeten Nockenantrieb, bei dem es sich um ein rotierendes Bündel von Formgedächtnisdrähten handelt, die zur Verstärkung der Kühlleistung verwendet werden. Das Gerät könnte als Wärmepumpe, Klimaanlage oder sogar Kühlschrank ohne umweltschädliche Kältemittel betrieben werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt seit 2016, wobei die Europäische Kommission und das US-Energieministerium es als vielversprechende Alternativtechnologie zu bestehenden Dampfkompressionskälteanlagen betrachten.

Für das Cleantech-Startup Blue Frontier sind erneuerbare Energien der Schlüssel zu einem effizienteren Kühlsystem. Das Unternehmen startete 2013 in Florida als Be Power Tech, das eine Klimaanlage entwickelte, die ihren eigenen Strom mit einer Erdgas-Brennstoffzelle produzierte. CEO Daniel Betts stellte jedoch fest, dass der Markt für die Technologie auf Gebäude beschränkt war, die mit Erdgas betrieben wurden, und Brennstoffzellen für eine frühe Markteinführung zu teuer waren.

Betts arbeitete dann mit Ingenieuren des National Renewable Energy Laboratory zusammen, um das System neu zu gestalten. Das Ergebnis war eine Klimaanlage mit thermochemischem Lithiumchlorid-Energiespeicher, der eine hochkonzentrierte Salzlösung speichert und zur späteren Verwendung in chemische Energie umwandelt. „Die Solarstromerzeugung nimmt im Laufe des Vormittags zu und nimmt ab dem frühen Nachmittag ab“, sagt Betts. „Die elektrische Last in Gebäuden erreicht in der Regel am frühen bis späten Nachmittag ihren Höhepunkt, was zu einem Missverhältnis zwischen Erzeugung und Verbrauch führt.“ Die Klimaanlage von Blue Frontier ist mit der Fähigkeit ausgestattet, Kühlenergie zu speichern, sodass Strom nur bei maximaler Solarstromerzeugung verbraucht wird. „Mit unserer Technologie“, sagt Betts, „können wir nur dann Strom verbrauchen, wenn es keine Netzüberlastung gibt und erneuerbare Energien einen größeren Teil des Strommixes ausmachen.“

Unterdessen wandte sich das kalifornische Unternehmen SkyCool Systems wegen seiner Kühltechnologie dem Nachthimmel zu. Das 2016 gegründete Startup entstand an der Stanford University und hat seitdem 990.000 US-Dollar aus Zuschüssen des StartX Fund der Universität und der Advanced Research Projects Agency des US-Energieministeriums gesammelt.

Um zu verstehen, wie die Kühltechnologie von SkyCool Systems funktioniert, sollten Sie jedes Material in Betracht ziehen, das nachts zum Himmel zeigt. „Wenn es in den Himmel schaut, würde es seine Wärme natürlich als sogenannte Wärmestrahlung aussenden“, sagt der Wissenschaftler und Mitbegründer Aaswath Raman. „Wenn diese Wärmestrahlung in den Himmel geschickt wird, entweicht ein Teil davon in den Weltraum. Aus diesem Grund kühlt sich jede Oberfläche, die nachts dem Himmel zugewandt ist, auf natürliche Weise unter die Lufttemperatur ab.“

Dieses Naturphänomen tagsüber nachzuahmen, erweist sich als schwieriger. „Die Sonne erwärmt auf natürliche Weise jedes Material — genug, um diesem Kühleffekt entgegenzuwirken“, sagt Raman. „Wir brauchen ein Material, das das Sonnenlicht sehr gut reflektiert, aber weiterhin Wärme aussendet. Wenn Sie diese beiden Dinge zusammen haben, können Sie diesen Effekt auch tagsüber aktivieren. Das wird überzeugend, weil Sie dann mitten am Tag Zugang zu freier passiver Kühlung haben, wenn wir am meisten Kühlung benötigen.“

“ Die angestrebten Energieeinsparungen und Nachfragereduktionen können zwischen 10% und 30% liegen.“

SkyCool Systems entwickelte silberne Paneele, die wie Sonnenkollektoren aussehen, aber stattdessen mit einem optischen Film bedeckt sind, der Wärme in einen Wellenlängenbereich im mittleren Infrarotbereich umwandelt, um durch die Atmosphäre zu gleiten und in den Weltraum geworfen zu werden, während gleichzeitig das Sonnenlicht reflektiert wird. Die Panels des Unternehmens werden derzeit an fünf Standorten eingesetzt, darunter ein Bürogebäude und ein Supermarkt, und sind in bestehende Kühlsysteme wie Kühler, Gefriergeräte, Eismaschinen und Klimaanlagen integriert.

Ingenieur und Mitbegründer Eli Goldstein sagt, dass die Vorteile der SkyCool Systems Kühlpaneele dreifach sind. „Zum einen geht es um Energieeinsparungen, zum anderen um die Reduzierung des Bedarfs und zum dritten um die Erhöhung der Kühlleistung eines Systems“, sagt er. „Die angestrebten Energieeinsparungen und Nachfragereduktionen könnten zwischen 10% und 30% liegen.“

Darüber hinaus benötigt der Kühlmechanismus weder Energie noch Wasser. „Es ist effektiv passiv in seiner Form der Kühlung, so dass es keine Energie und kein Wasser verbraucht“, sagt Goldstein. „Es gibt keinen Verdunstungswasserverlust, um diese Kühlung zu erzeugen, also ist es ein viel nachhaltigerer Ansatz.“

Diese Kühltechnologien sind nicht ohne Herausforderungen. SkyCool Systems versucht, so schnell wie möglich zu skalieren, um mit der Marktnachfrage Schritt zu halten, und obwohl die Technologie von Blue Frontier durch verschiedene Prototypen bewiesen wurde, muss das Unternehmen noch Massenproduktion und Feldversuche etablieren.

Sie haben vielleicht noch keine breite Akzeptanz gefunden, aber diese Innovationen ebnen den Weg für eine kühlere und energieeffizientere Zukunft. Blue Frontier plant den Übergang zu einem „Air Conditioner as a Service“ -Modell, während SkyCool Systems vorsieht, Klimaanlagen durch seine Panels zu ersetzen.

„Kühlung ist wichtig für unseren Alltag“, sagt Goldstein. „Wir müssen zusammenarbeiten, um effizientere Systeme zu erhalten und sie nachhaltig zu betreiben.“