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Mit Wärme Gebäude kühlen
Schon bald könnte es praktischer sein, Gebäude mit solaren Warmwasserbereitern und Abwärme von Generatoren zu kühlen. Das liegt an neuen porösen Materialien, die von Forschern des Pacific Northwest National Laboratory entwickelt wurden. Diese Materialien können einen Prozess namens Adsorptionskühlung verbessern, der für die Kälte- und Klimatisierung verwendet werden kann.
Warmhaltepackung : Ein Display auf einer Konferenz zeigt ein neues Material (hellgrün) verpackt in einen Metallschaum. Das Material wird verwendet, um eine Technologie zu verbessern, die Wärmeenergie nutzt, um einen Kühlprozess anzutreiben.
Adsorptionskältemaschinen sind für viele Anwendungen zu groß und zu teuer, beispielsweise im Wohnbereich. Peter McGrail , der die Forschungsarbeit leitet, prognostiziert, dass die Materialien es ermöglichen könnten, Adsorptionskältemaschinen um 75 Prozent kleiner und halb so teuer zu machen. Damit wären sie konkurrenzfähig gegenüber konventionellen, kompressorbetriebenen Kaltwassersätzen.
Alle Kühlschränke und Klimaanlagen kühlen durch Verdampfen eines Kältemittels, ein Prozess, der Wärme absorbiert. Sie unterscheiden sich darin, wie das Kältemittel kondensiert wird, damit es zum Kühlen wiederverwendet werden kann. Anders als die Technologie in den meisten Klimaanlagen, die elektrisch angetriebene Kompressoren verwendet, um das verdampfte Kältemittel mechanisch zu komprimieren, verwenden Adsorptionskältemaschinen Wärme, um das Kältemittel zu kondensieren. Adsorptionskältemaschinen sind in der Regel weit weniger effizient als Kältemaschinen, die elektrische Kompressoren verwenden, und sind sperrig und teuer. Sie haben jedoch den Vorteil, dass sie günstig im Betrieb sind, da sie sehr wenig Strom benötigen. Wenn Sie Abwärme haben, können Sie sie kostenlos betreiben, sagt McGrail.
Bisher waren diese Kaltwassersätze auf Anwendungen beschränkt, bei denen viel Abwärme anfällt – wie beispielsweise Industrieanlagen und Kraftwerke – oder wo Strom nicht immer verfügbar ist. Eine Reduzierung ihrer Größe und Kosten könnte sie für mehr Anwendungen attraktiv machen, einschließlich in Haushalten, wo sie mit heißem Wasser aus Solarheizungen betrieben werden könnten, sagt McGrail.
Der Schlüssel liegt in der Verbesserung des festen Adsorptionsmittelmaterials. In einer Adsorptionskältemaschine wird verdampftes Kältemittel adsorbiert – es haftet an einer Oberfläche eines Feststoffs, wie beispielsweise Silikagel. Das Silicagel kann auf kleinem Raum viel Wasser aufnehmen – es wirkt quasi wie ein Schwamm für den Wasserdampf. Wenn das Gel erhitzt wird, gibt es die Wassermoleküle in eine Kammer ab. Mit zunehmender Wasserdampfkonzentration in der Kammer steigt der Druck, bis das Wasser kondensiert.
McGrail ersetzt Kieselgel durch ein technisches Material, das durch die Schaffung nanoskopischer Strukturen hergestellt wird, die sich selbst zu komplexen dreidimensionalen Formen zusammenfügen. Das Material ist poröser als Silikagel, wodurch es eine größere Oberfläche für Wassermoleküle zum Festhalten hat. Infolgedessen kann es drei- bis viermal mehr Wasser nach Gewicht aufnehmen als Silikagel, was dazu beiträgt, die Größe des Kühlers zu reduzieren.
Außerdem bindet das Material weniger stark an Wassermoleküle. Dadurch wird die zum Freisetzen der Wassermoleküle benötigte Wärmemenge reduziert – der Prozess wird effizienter – und der Prozess der Adsorption und Desorption von Wasser um das 50- bis 100-fache beschleunigt, wodurch die Kältemaschine kleiner wird. Die Materialien arbeiten auch mit anderen Kältemitteln als Wasser, was den Temperaturbereich erweitert, in dem eine Kühlung möglich ist.
Da aktuelle Adsorptionskältemaschinen zwei- oder dreimal größer sein können als Kältemaschinen mit elektrischen Kompressoren, könnten sie durch eine Reduzierung der Größe von Adsorptionskältemaschinen um 75 Prozent wettbewerbsfähig werden, sagt Yunho Hwang , Professor am Center for Environmental Energy Engineering der University of Maryland. Die Kaltwassersätze könnten sich besonders für die Kühlung mit Warmwasser aus solaren Warmwasserbereitern eignen, da Adsorptionskältemaschinen die relativ niedrige Temperatur dieser Heizungen nutzen können, sagt er.
Eine Herausforderung für solche Anwendungen könnte darin bestehen, den Kühlbedarf mit der Wärmeproduktion zu synchronisieren – in einigen Fällen kann es erforderlich sein, einen kostspieligen Wärmespeicher einzubinden, um die Kältemaschine auch nach Sonnenuntergang am Laufen zu halten.
Die PNNL-Forscher haben 2,54 Millionen US-Dollar von der Advanced Research Projects Agency for Energy erhalten, um das Material in einem Kühlsystem zu demonstrieren. Im Rahmen des Stipendiums haben sie drei Jahre Zeit, um die Leistung des Materials zu optimieren und es in eine kleine Demonstrationskältemaschine zu integrieren.