Neues Mate­rial macht Kälte­maschi­nen ener­gie­effi­zien­ter

Erste Tests gemeinsam mit dem Fraunhofer-ISE: Mit ihrem neuen Material beschichteten die Wissenschaftler einen herkömmlichen Wärmetauscher, wie er in handelsüblichen Kältemaschinen zu finden ist. (Bild: D. Lenzen, CAU)

Kälteanlagen gelten als Stromfresser, in denen noch immer umweltschädliche Kältemitteln verwendet werden, auch nach dem Verbot von Fluor­chlor­kohlen­wasser­stoffen. Eine umwelt­freund­liche Alter­native sind Anlagen, die statt­dessen mit Wasser arbeiten. Ein Forschungsteam des Instituts für Anorga­nische Chemie der Christian-Albrechts-Univer­sität zu Kiel 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. Dafür könnte bislang ungenutzte Abwärme zum Beispiel aus Fern­heizungs­systemen, Rechen­zentren oder Solarthermie eingesetzt werden.

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.

Verschie­dene Atome (grün = Al, rot = O, grau = C) bilden zusammen die Gerüst­struktur von CAU-10-H, das an der CAU entdeckt wurde. In den großen Poren kann es besonders effizient Wasser­mole­küle (blau) aufnehmen und wieder abgeben. (Bild: CAU, Dirk Lenzen)

Diese Voraus­setzungen erfüllt das poröse Material, das Professor 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.

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 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.

Metall-organische Gerüstverbindungen sorgen für ideale Wechsel­wirkungen

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 (Englisch: „Metal Organic Frame­works“, MOF). Sie werden seit einigen Jahren intensiv in unter­schied­lichsten Anwendungs­bereichen getestet.

Mit ihrem neu entwick­elten Material „CAU-10-H“, hier in Pulver­form, will das Kieler Forschungs­team Kühl­anlagen effizienter machen. (Bild: CAU, AG Stock)

Das Kieler Forschungs­team arbeitet schon lange an der Entdeckung neuer MOFs, bislang allerdings als reine Grund­lagen­forschung. Für die indus­trielle Anwen­dung beschich­teten sie gemeinsam mit Kolle­ginnen und Kollegen vom Fraunhofer-ISE kommerziell erhält­liche Wärme­tauscher mit ihrem Material. „Die Vermes­sung des Wärme­tauschers unter anwen­dungs­nahen Bedingungen unter­streicht das hohe Potential dieses Materials“, berichtet Stefan Henninger vom Fraunhofer ISE. Im Labor lässt sich das Material bereits unter milden Reaktions­bedingungen, also bei 100 °C mit Wasser als Lösungs­mittel, in Kilo­gramm­mengen herstellen („grüne Synthese“). „Um es für die indus­trielle Nutzung im größeren Maßstab zu produ­zieren, wollen wir in einem nächsten Schritt mit Firmen in Kontakt treten“, kündigt Stock an. Ein Patent auf ihre Herstel­lungs­methode haben die Partner bereits angemeldet. (Quelle: CAU)

Referenz: D. Lenzen et al.: Scalable Green Synthesis and Full-Scale Test of the Metal–Organic Framework CAU-10-H for Use in Adsorption-Driven Chillers, Adv. Mater. 30 (6), 2018; DOI: 10.1002/adma.201705869

Link: AG Stock, Institut für Anorganische Chemie, Christian-Albrechts-Univer­sität zu KielMaterialien und Komponenten für Wärmetransformation (S. Henninger), Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg i.Br,

Speak Your Mind

*