Salze zum Kühlen oder Heizen – werden halogenhaltige Kühlmittel bald überflüssig?
Fluorkohlenwasserstoffe schädigen die Ozonschicht; sie kommen aber nach wie vor in Klimaanlagen zum Einsatz. Forschende haben jetzt ein alternatives Verfahren entwickelt. Sie nutzen die Phasenumwandlung von Salzen.
Altes Prinzip, neue Idee: Aus Salzen haben Forschende ein Verfahren entwickelt, um zu kühlen oder zu heizen.
Foto: Panthermedia.net/Buurserstraat38
Streusalz ist bekanntlich extrem effektiv, um Straßenglätte entgegenzuwirken. Chemisch handelt es sich um Natriumchlorid. Es senkt den Gefrierpunkt von Wasser je nach ausgebrachter Menge mehr oder minder stark. Beim Lösen entzieht das Salz seiner Umgebung Energie in Form von Wärme. Das Prinzip verwenden Ingenieurinnen und Ingenieure am Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, für eine innovative Methode zum Heizen und zum Kühlen.
Sie machen sich zu Nutze, wie Energie gespeichert oder freigesetzt wird, wenn ein Material seine Phase ändert. Schmelzen Feststoffe, nehmen sie Wärme aus der Umgebung auf, während sie beim Erstarren Wärme abgeben. Beim ionokalorischen Zyklus, dem neu entwickelten Verfahren, kommt es durch den Fluss von Ionen, also geladenen Teilchen, zum Phasen- und Temperaturwechsel. Natriumchlorid etwa besteht aus Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen. Sie bilden im festen Zustand ein Kristallgitter.
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Mit dem neuen Kühlverfahren Klimaziele erreichen
Doch warum ist ein neues Verfahren derart wichtig? Die Suche nach einer Lösung, um derzeit verfügbare Kühlmittel zu ersetzen, ist für alle Länder von entscheidender Bedeutung, wenn sie Klimaziele erreichen wollen, die im Kigali-Abkommen festgelegt worden sind. Das Dokument verpflichtet alle Unterzeichnerstaaten, die Produktion und den Verbrauch von Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) in den nächsten 25 Jahren um mindestens 80% zu verringern. FKW sind stark wirksame Treibhausgase, die häufig in Kühlschränken und Klimaanlagen vorkommen und die Wärme effektiver als Kohlendioxid speichern.
„Niemand hat bisher erfolgreich eine alternative Lösung entwickelt, die Kälte erzeugt, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht belastet“, sagt Drew Lilley. Er ist Mitarbeiter am Berkeley Lab. Lilley bewertet vor allem kommerziell verfügbare Kühlmittel als kritisch unter ökologischen Gesichtspunkten; neue Ideen seien gefragt. „Wir glauben, dass der ionokalorische Kreislauf das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen, wenn er entsprechend umgesetzt wird“, sagt er.
Wie funktioniert der ionokalorische Kreislauf beim Heizen oder Kühlen?
Der jetzt vorgestellte ionokalorische Zyklus reiht sich mehrere neue Technologien ein. Forschende nutzen beispielsweise Magnetismus, Druck, Dehnung oder elektrische Felder, um feste Materialien so zu manipulieren, dass sie Wärme aufnehmen oder abgeben.
Bei der ionokalorischen Kühlung verwenden sie jedoch Ionen, um den Phasenwechsel von fest zu flüssig zu erreichen. Lilley arbeitet mit Natriumiodid, einem Salz aus Iod und Natrium, sowie Ethylencarbonat, einem bekannten organischen Lösungsmittel. Wenn Strom durch das System fließt, werden Ionen bewegt – und der Schmelzpunkt des Materials verändert sich. Wenn es schmilzt, nimmt das Material Wärme aus der Umgebung auf. Entfernen Ingenieurinnen und Ingenieure die Ionen im elektrischen Feld, erstarrt das Material – und Wärme wird freigesetzt. Erste Experimente zeigte eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius mit weniger als einem Volt Spannung: ein größerer Temperaturanstieg als bei anderen früher untersuchten kalorischen Technologien.
Die Verwendung von Ethylencarbonat als Lösungsmittel bietet mehrere Vorteile. Es lässt sich pumpen. Dadurch gelingt es leichter, Wärme in das System zu bringen oder aus ihm abzutransportieren: ein Problem, mit dem die Festkörperkühlung zu kämpfen hat. „Außerdem haben wir die Möglichkeit, Kühlmittel zu verwenden, die nicht nur ein neutrales Treibhauspotential, sondern sogar ein negatives Treibhauspotential aufweisen“, erklärt Lilley. Bei der Herstellung von Ethylencarbonat kann Kohlendioxid aus der Luft eingesetzt werden.
Kommerzialisierung des Verfahrens zum innovativen Heizen und Kühlen
Lilley und seine Kolleginnen beziehungsweise Kollegen sind jedenfalls davon überzeugt, dass ihr Verfahren mit der Effizienz von Kühlmitteln, die kommerziell eingesetzt werden, konkurrieren kann oder diese sogar übertrifft. Sie arbeiten daran, drei Parameter zu optimieren: das Treibhauspotenzial des Kühlmittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Anlage.
Nach erfolgreichen Laborexperimenten entwickeln die Forschenden jetzt mehrere Prototypen, um herauszufinden, wie die Technik skaliert werden kann. Sie hoffen, dass ihre Methode zum effizienten Heizen und Kühlen beitragen wird. Ein vorläufiges Patent haben die Forschenden bereits erhalten.
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