Coole Idee
Kalt, klimafreundlich und kostengünstig – Fraunhofer-Forscher entwickeln Kühlschränke mit bislang unerreichten Wirkungsgraden.
Smart sind manche Kühlschränke schon, nun müssen sie noch energiesparender werden.
(Bild: dpa, Rainer Jensen/Archiv)
- Frank Grünberg
Die Temperaturen auf der Erde steigen, der Bedarf an Kühlung wächst. Bis 2050 könnte der Energieverbrauch dafür in Mitteleuropa nach Berechnungen von Wissenschaftlern um den Faktor 20 steigen. Gefragt sind also leistungsstarke, effiziente und klimafreundliche Geräte. Die Hersteller stellt das vor große Herausforderungen.
Klassische Kompressor-Kühlschränke nutzen fluorierte Kohlenwasserstoffe (F-Gase), die den Treibhauseffekt massiv verstärken, wenn sie in die Atmosphäre gelangen. Die EU hat ihre Verwendung daher deutlich eingeschränkt. Durch die F-Gas-Verordnung will sie die Emissionen bis 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 verringern. Die Hersteller werden damit gezwungen, auf neue Technologien umzuschwenken. Es gibt zwar auch umweltfreundlichere Kühlmittel wie CO2, aber Temperaturen unterhalb von minus 50 Grad, wie sie etwa zur Verflüssigung von Gasen benötigt werden, lassen sich damit nicht erreichen.
Forscher vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM haben nun ein magnetokalorisches System vorgestellt, das hohe Leistungen mit hohen Wirkungsgraden verknüpfen soll. Zudem ist das Kältemittel außerordentlich umweltfreundlich: Wasser.
Das Prinzip: 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. Um daraus Kühlsysteme zu bauen, nutzen Ingenieure zum Beispiel rotierende Magneten, die das Material abwechselnd erwärmen und kühlen. In warmen Phasen wird dem Material Wärme entzogen. Ohne Magnetfeld kühlt es dann unter die Ausgangstemperatur ab.
Die Leistung hängt wesentlich von der Drehzahl des Magneten ab. "Damit magnetokalorische Systeme die Leistung herkömmlicher Kompressorsysteme erbringen, muss sich der Magnet mindestens zehnmal pro Sekunde drehen", sagt Olaf Schäfer-Welsen, der am IPM die Abteilung Thermische Energiewandler leitet. Damit stellt sich die Frage der Wirtschaftlichkeit, denn mit der Leistung steigt auch das benötigte Kühlmittelvolumen und damit der Stromverbrauch für die Kühlmittelpumpe rapide an. Die Folge: Magnetokalorische Systeme werden zwar seit einigen Jahren vermarktet, etwa vom britischen Hersteller Camfridge, aber den Durchbruch haben sie bisher nicht geschafft.
Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von Schäfer-Welsen haben nun ein Verfahren entwickelt, das ganz auf elektrische Pumpen verzichtet. Den Kern des Kühlsystems bildet eine "Heatpipe" aus vielen kleinen, kreisförmig angeordneten Kühlkammern aus einer umweltfreundlichen, magnetokalorischen Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung.
Heatpipes sind Wärmetauscher mit einer besonderen Eigenschaft: Sie arbeiten mit einem Kältemittel, das sich im geschlossenen Inneren sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase befindet. Damit sich dieser Zustand für Wasser bei Raumtemperatur einstellen kann, wird der Druck auf 23 Millibar abgesenkt.
Wenn der rotierende Stabmagnet die erste Kammer erwärmt, wird dort Wasser sehr schnell verdampft. "Da Wasser sehr viel Energie aufnimmt, wenn es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, nutzen wir den Verdampfungsprozess, um die Wärme zu übertragen", erklärt Schäfer-Welsen. "So lässt sich die thermische Energie sehr effizient vom Material auf das Kühlmittel übertragen."
Anschließend nutzen die Fraunhofer-Forscher einen weiteren Trick: Der steigende Druck der Wasserdampfwolke erlaubt es, den Dampf nur durch Öffnen eines Ventils, also ohne Pumpe, in die nächste Kammer strömen zu lassen. Dort entspannt sich das Gas und kondensiert, um anschließend durch den vorbeirauschenden Magneten wieder verdampft zu werden. Kammer für Kammer nimmt das Wasser damit immer mehr Wärme auf, um sie schließlich etwa durch einen Wärmetauscher an die Umgebung abzugeben.
Bislang ist es den Forschern am IPM gelungen, drei Kühlkammern hintereinanderzuschalten und zu betreiben. Ein Demonstrator mit einer Leistung von 300 Watt soll bis Ende des Jahres fertig sein. Zum Vergleich: Die Kompressoren von Haushaltskühlschränken arbeiten mit 50 bis 100 Watt. Das langfristige Ziel besteht darin, 50 Prozent des theoretisch maximalen Wirkungsgrades eines magnetokalorischen Systems zu erreichen. Laut Schäfer-Welsen wäre das ein Weltrekord. Vergleichbare Systeme erzielen heute rund 30 Prozent.
Eine kommerzielle Nutzung des IPM-Systems prognostiziert der Wissenschaftler "in vier bis fünf Jahren". Jochen Kopitzke, Geschäftsführer des Kühlgeräte-Herstellers Philipp Kirsch GmbH und Projektpartner des Fraunhofer IPM, denkt bereits an konkrete Anwendungen. "Wir wollen auf Basis der Magnetokalorik ein Minus-86-Grad-Gerät auf den Markt bringen", sagt er. "Die Magnetokalorik könnte die Kompressorkühlung mittelfristig ablösen."
(bsc)
