Gebäudetechnik : Forscher aus Kiel erfinden neues Material für Kältemaschinen

Abwärme aus der Industrie lässt sich aufgrund seiner geringen Temperatur oft nicht weiterverwenden. Ein neues Material ermöglicht ihren Einsatz in umweltfreundlichen Kälteanlagen der Gebäudetechnik. Ein Forschungsteam des Instituts für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat jetzt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ein hochporöses Material entwickelt, mit dem sich diese Kühlanlagen mit geringerem elektrischen Energieaufwand als bisher betreiben lassen.

Vor allem Rechenzentren sind wahre Energiefabriken: Gewissermaßen „nebenbei“ produzieren Hochleistungscomputer jede Menge Wärme und müssen deshalb ständig gekühlt werden. So verursachen sie hohe Energie- und Stromkosten, während sie gleichzeitig ihre Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgeben – ihre Temperatur ist zu niedrig, um sie anderweitig zu verwenden. Doch theoretisch könnten damit spezielle Kühlanlagen, die Wasser als Kältemittel nutzen (sogenannte Adsorptionskälteanlagen), energieeffizient betrieben werden. Dafür müssten die dort verwendeten Materialien in der Lage sein, viel Wasser aufzunehmen und sich schon bei geringen Temperaturen zu regenerieren.

Diese Voraussetzungen erfüllt das poröse Material, das Prof. Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie mit seiner Arbeitsgruppe entdeckt hat. Damit kann ein Teil solcher Adsorptionskälteanlagen ausschließlich mit der Energie vorhandener Abwärme oder Solarthermie betrieben werden. „Damit ließe sich auch ein wichtiger Beitrag zur Nutzung erneuerbarer Energien leisten“, sagt Stock. Für diesen umweltfreundlichen Anlagetypus eignet sich ihr Material gleich doppelt gut: „Die Anlagen verbrauchen damit einerseits weniger Strom. Andererseits können wir das Material umweltschonend herstellen“, so der Chemiker weiter.

Die Innovation CAU-10-H

Der Kühleffekt entsteht in diesen Adsorptionskälteanlagen durch das Verdampfen von Wasser, wobei der Umgebung Wärme entzogen wird. Die Wasserdampfmoleküle werden anschließend von einem porösen Material, dem sogenannten Sorptionsmittel, adsorbiert und lagern sich in seinen Hohlräumen an. Es folgt eine Regenerationsphase: Durch die Zufuhr von thermischer Energie lösen sich die Wassermoleküle vom Material, verflüssigen sich und können im nächsten Zyklus wieder verdampfen. Auch das Material ist wieder einsetzbar.

Als Sorptionsmittel werden in Kältemaschinen normalerweise kristalline Zeolithe oder Silicagele verwendet, die dank ihrer porösen Struktur leicht Wasser aufnehmen können. Das Material des Kieler Forschungsteams weist besonders gute Sorptionseigenschaften auf: Es kann sehr schnell sehr viel Wasser aufnehmen und es bereits bei einer geringen Erhöhung der Temperatur schnell wieder abgeben. Das Material ist also nach kurzer Zeit „getrocknet“ und erneut einsatzbereit. „Möglich macht das die ideale Größe seiner Poren, die für perfekte Wechselwirkungen mit den Wassermolekülen sorgen“, beschreibt Stock das Wirkungsprinzip. Die hochporöse Kristallstruktur des „CAU-10-H“ – so der offizielle Name des Materials, benannt nach Entwicklungsort, Versionsnummer und der Abkürzung von Wasserstoff – ist ein Beispiel für metall-organische Gerüstverbindungen.