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Jul 11, 2023

Diese Feuchtigkeit

Trockenmittel, die der Luft Wasser entziehen, könnten dazu beitragen, Gebäude effizienter zu kühlen. Eine überraschende Reihe von Materialien könnte bald dazu beitragen, effizientere Klimaanlagen herzustellen, die die Gebäude nicht überfordern

Trockenmittel, die der Luft Wasser entziehen, könnten dazu beitragen, Gebäude effizienter zu kühlen

Eine überraschende Reihe von Materialien könnte bald dazu beitragen, effizientere Klimaanlagen zu bauen, die das Stromnetz an heißen Tagen nicht überlasten.

Da extreme Hitze weltweit weiterhin Rekorde bricht, wird sich der Strombedarf für Klimaanlagen in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich verdreifachen – laut der Internationalen Energieagentur ein Anstieg um etwa 4.000 Terawattstunden zwischen 2016 und 2050, also ungefähr gleich viel Strombedarf des gesamten US-Stromnetzes im Jahr 2022.

Aus diesem Grund wird der Wettlauf um den Bau effizienterer Klimaanlagen immer dringlicher. Während sich einige Unternehmen auf die Verbesserung bestehender Designs konzentrieren, suchen andere nach völlig neuen Systemen, die sogenannte Trockenmittel verwenden. Diese Systeme könnten selbst bei extremer Hitze und Feuchtigkeit effizienter kühlen und so die Belastung des Netzes verringern.

Eine typische Klimaanlage kühlt Innenräume, indem sie ein Kältemittel in einem Kreislauf und durch Wärmetauscher pumpt, Wärme aus der Innenluft aufnimmt und nach außen abgibt. (Wärmepumpen funktionieren auf die gleiche Weise, entweder in entgegengesetzter Richtung oder in reversiblen Systemen, die sowohl heizen als auch kühlen können.)

Dieser als Dampfkompression bezeichnete Ansatz ist über 100 Jahre alt und das grundlegende Design hat sich seit seiner Erfindung kaum verändert, sagt Ankit Kalanki, Manager im Programm für kohlenstofffreie Gebäude am Rocky Mountain Institute, einer gemeinnützigen Denkfabrik für Energie . Das Umpumpen und Komprimieren des Kältemittels, um die Wärme nach außen zu transportieren, erfordert viel Energie, insbesondere wenn die Temperaturen sehr hoch sind.

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Dampfkompressionssysteme bewältigen auch Feuchtigkeit und Wärme gemeinsam, was einen weiteren Nachteil darstellt. Laut Kalanki hängt die Behaglichkeit eines Gebäudes stark mit der Aufrechterhaltung einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit zusammen, aber Klimaanlagen müssen die Luft abkühlen, um ihr Feuchtigkeit zu entziehen. Ohne ein spezielles System zur Bekämpfung der Luftfeuchtigkeit würden Gebäude oft „überkühlt“, was zu einer enormen Energiebelastung führen könne.

Systeme, die Entfeuchtung und Kühlung separat angehen, könnten die Gebäudetemperaturen mit weniger Energie angenehm halten und mehr Flexibilität in verschiedenen Umgebungen ermöglichen. Und immer mehr Startups suchen nach Trockenmitteln, um genau das zu erreichen.

Trockenmittel sind Materialien, die Feuchtigkeit aufsaugen. Die Silikatkügelchen in diesen kleinen Päckchen, die neuen Handtaschen und Schuhen beiliegen, sind eine Art Trockenmittel, das die Produkte beim Versand rund um die Welt trocken halten soll.

Andere Arten von Trockenmitteln könnten zu bestehenden Klimaanlagenkonstruktionen hinzugefügt werden, um Wasser aus der Luft zu absorbieren und den Energiebedarf für die Behaglichkeit der Räume zu senken. Transaera, ein 2018 gegründetes MIT-Spinout, entwickelt ein Hybridsystem, das eine Art Material verwendet, das als metallorganische Gerüste bezeichnet wird. Laut Sorin Grama, CEO von Transaera, könnte der Einsatz dieser Materialien bei Klimaanlagen auf Dampfkompressionsbasis dazu führen, dass das System des Unternehmens 35 % weniger Energie verbraucht als durchschnittliche Modelle.

Andere Unternehmen möchten jedoch Trockenmittel in Kühlsystemen einsetzen, die herkömmliche Klimaanlagen vollständig ersetzen würden. Das in Florida ansässige Startup Blue Frontier nutzt beispielsweise flüssige Trockenmittel für den Bau von Kühlsystemen. Der Hauptbestandteil unterscheidet sich von den Silikatkügelchen in Schuhverpackungen, aber der Vergleich ist weit verbreitet: „Das bekommen wir oft“, sagt Matt Tilghman, Mitbegründer und Chief Technology Officer des Unternehmens.

Anstelle kleiner Kieselsäurekügelchen basiert die Kühltechnologie von Blue Frontier auf einer Salzlösung, die so konzentriert ist, dass sie der Luft Feuchtigkeit entziehen kann.

So funktioniert das Kühlsystem von Blue Frontier: Zunächst strömt ein Luftstrom durch einen Kanal und über eine dünne Schicht Trockenmittel, die der Luft Feuchtigkeit entzieht. Als nächstes durchläuft die nun trockene Luft einen Verdunstungskühlungsschritt, der die Lufttemperatur senkt (im Grunde auf die gleiche Weise, wie Schweiß Ihre Haut kühlt).

Bei der Verdunstungskühlung wird die Luft in zwei Ströme aufgeteilt. Man läuft an einer dünnen Wasserschicht vorbei, die Energie absorbiert und die Lufttemperatur senkt. Diese kühlere, feuchte Luft wird zum Kühlen einer Metalloberfläche verwendet, die wiederum dem anderen Strom noch trockener Luft Wärme entzieht. Die feuchte Luft wird nach draußen geleitet und die kühle, trockene Luft in das Gebäude geblasen.

Verdunstung ist eine effiziente Kühlmethode, die in kostengünstigen Geräten namens Luftkühlern (auch Sumpfkühler oder Verdunstungskühler genannt) eingesetzt wird, die 80 % weniger Strom verbrauchen als herkömmliche Klimaanlagen. Diese Geräte fügen der Luft normalerweise Feuchtigkeit hinzu, um sie zu kühlen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn mit trockener Luft begonnen wird. Daher ist ihr Einsatz normalerweise auf trockene Umgebungen wie den Südwesten der USA beschränkt.

Durch die Kombination von Verdunstungskühlung mit Trockenmitteln kann das System von Blue Frontier in praktisch jedem Klima funktionieren, sagt Tilghman. Seine Abläufe können angepasst werden, um Änderungen des Wetters oder des Thermostatsollwerts zu berücksichtigen und so das Gleichgewicht zwischen Kühlung und Entfeuchtung zu verändern, was zu weiteren Effizienzsteigerungen beitragen könnte. Mit dem Ansatz des Unternehmens soll der jährliche Stromverbrauch im Vergleich zu einer herkömmlichen Klimaanlage je nach Umgebung um insgesamt 50 bis 80 Prozent gesenkt werden können, sagt Tilghman.

Flüssige Trockenmittel werden heutzutage manchmal zur Entfeuchtung von Lagerhäusern oder Fabriken verwendet, in denen die Luftfeuchtigkeit streng kontrolliert werden muss, beispielsweise in der Pharma- oder Elektronikfertigung. Sie wurden jedoch nicht in großem Umfang in der Kühlung eingesetzt, auch weil sie teuer sind. Ein Industriestandard, Lithiumchlorid, war aufgrund der Nachfrage in Lithium-Ionen-Batterien Preiserhöhungen und Angebotsbeschränkungen ausgesetzt. Die Materialien können auch korrosiv sein. (Blue Frontier verwendet ein neues Trockenmittel, das diese Bedenken ausräumen sollte, sagt Tilghman.)

Eines der größten Hindernisse für eine weit verbreitete Adsorptionskühlung war die Notwendigkeit einer Methode zum effizienten Wiederaufladen der Materialien. Trockenmittel sind wie Schwämme – sie können eine begrenzte Menge Wasser aufsaugen, bevor sie ausgewrungen oder regeneriert werden müssen.

Zusätzlich zu den Teilen, die die Luft trocknen und kühlen, benötigt ein Trockenmittelkühlsystem also einen Abschnitt, der das Trockenmittel regenerieren und das Wasser an einen anderen Luftstrom abgeben kann, der wiederum nach außen abgegeben wird.

Die meisten Trockenmittel können durch Erhitzen regeneriert werden, wodurch Wasser aus dem Material freigesetzt wird. Dieser Schritt kann jedoch energieintensiv sein und erfordert oft mit fossilen Brennstoffen betriebene Kesselsysteme.

Blue Frontier nutzt stattdessen eine Wärmepumpe, um sein Trockenmittel zu regenerieren. Die Wärmepumpe erhöht den Energiebedarf, aber während das Kühlsystem an heißen Sommertagen kontinuierlich laufen kann, kann das Regenerationssystem abends oder über Nacht laufen, wenn das Netz weniger belastet wird und die Strompreise niedriger sind, sagt Tilghman. Durch den Ausgleich der Regeneration könnte das System von Blue Frontier dazu beitragen, den Spitzenstrombedarf um 80 bis 90 % zu reduzieren.

Andere Startups wollen ganz auf Wärme verzichten. Das in Boston ansässige Unternehmen Zephyr hofft, mithilfe von Membranen Wasser aus flüssigen Trockenmitteln herauszufiltern und diese zu regenerieren, ähnlich dem Verfahren, mit dem in Entsalzungsanlagen Salz aus Wasser gezogen wird.

Zephyr demonstrierte Teile seines Systems im Juli und plant, später in diesem Jahr einen vollständigen Prototyp eines Kühlsystems im Labormaßstab zusammenzustellen. Sein Adsorptionskühlgerät könnte etwa 45 % weniger Strom verbrauchen als die besten Dampfkompressions-Klimaanlagen auf dem heutigen Markt, sagt Jacob Miller, Mitbegründer und Chief Technology Officer von Zephyr.

Blue Frontier betreibt zwei Demonstrationskühlsysteme, eines in Florida und eines in Kanada, und das Unternehmen plant, Ende 2023 und 2024 mehrere Dutzend weitere zu installieren, sagt Tilghman.

Beide Startups konzentrieren sich zunächst auf Systeme für größere Gewerbegebäude, später könnten die Systeme jedoch auch für Häuser und sogar einzelne Wohnungen angepasst werden, sagt Tilghman. Die ersten Systeme von Blue Frontier werden zu Beginn teurer sein als bestehende Klimaanlagen, fügt er hinzu, obwohl sie in der Lage sein sollten, dies durch Energieeinsparungen innerhalb von drei bis fünf Jahren wieder wettzumachen.

Der Zugang zu effizienter Kühltechnologie könnte entscheidend dafür sein, dass mehr Menschen in sicheren Umgebungen leben und arbeiten können, ohne die Netze zu überlasten. „Wenn man sich die sich erwärmende Welt und die steigenden Temperaturen ansieht, braucht man Menschen, die Zugang zu Kühlung haben“, sagt Kalanki. „Es ist nicht nur eine Frage des thermischen Komforts oder des Produktivitätsgefühls, sondern jetzt auch eine Frage der Gerechtigkeit.“

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