Effizientes Heizen und Kühlen auch ohne schädliche Kältemittel

Die Kältetechnik ist ein schnell wachsender Markt mit hohem Energiebedarf. Selbst im relativ kühlen Deutschland werden pro Jahr über 73 TWh Strom zur Kälteerzeugung verbraucht. Nahezu alle heute verfügbaren Kältesysteme funktionieren nach dem Kompressor-Prinzip, wobei die Wärme über den veränderten Aggregatzustand eines Kältemittels abgeführt wird. Das Problem: Viele Kältemittel weisen ein mehr oder weniger großes Treibhauspotenzial bzw. sind gesundheitsschädlich und/oder brennbar. Sie werden daher EU-weit immer weiter reglementiert bzw. verboten. Weitere Nachteile: Kompressoren benötigen viel Platz, sind laut und müssen gewartet werden. Genug Gründe für uns, in das aussichtsreiche Forschungsgebiet der alternativen kalorischen Kältetechnik einzusteigen.  

Auf Basis der kalorischen Effekte lassen sich besonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz ohne Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten magneto-, elektro- oder elastokalorischen Materialien. Diese Materialien erwärmen sich unter Einwirkung eines magnetischen oder elektrischen Felds bzw. einer mechanischen Kraft. Wird das Feld oder die Kraft entfernt, kühlen die Materialien wieder ab. So lässt sich ein Kühlzyklus realisieren.

Systemaufbau trägt entscheidend zur Kühlleistung bei

Kalorische Materialien zeigen zum Teil schon sehr gute Eigenschaften bezüglich Temperaturhub, Effizienz und Langzeitstabilität. Für eine Industrialisierung ist es aber essentiell, dass diese sehr guten Materialeigenschaften ohne Einbußen in Systeme übertragen werden. Nur so lassen sich am Ende effiziente und gleichzeitig wirtschaftliche Systeme realisieren. Das grundlegende Systemkonzept, insbesondere die Art der Wärmeübertragung, trägt dazu entscheidend bei. Am Institut erforschen wir in diesem Zusammenhang die Optimierung der Wärmeübertragung vom kalorischen Material an das zu kühlende oder zu erwärmende Medium. Dabei setzen wir auf Konzepte, welche seit langem bei Heatpipes verwendet werden. Dies ermöglicht um Größenordnungen höhere Wärmeübertragungsraten und damit auch um eine Größenordnung höhere Leistungsdichten der kalorischen Systeme.