TEIL C

WÄrmepumpe

Das Prinzip der Wärmepumpe wurde 1851 von Sir William Thompson (Lord Kelvin) entdeckt und beschrieben: Wärme wird durch die Expansion eines Arbeitsgases absorbiert und anschließend über einen Kondensator mit höherer Temperatur wieder abgegeben. Im Grunde handelt es sich um die Umkehrung des ‚Kühlschrank-Prinzips’.

Für den Physiker gilt häufig (noch), daß Umgebungsenergie ohne jeden thermodynamischen Wert ist. Mittels einer Wärmepumpe kann Wärme aber von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Der Prozeß läuft unter Hinzufügung mechanischer Energie in Kompressions-Wärmepumpen oder mittels thermischer Energie in Absorbtions-Wärmepumpen ab (meist eine Gas- oder Dieselmotorwärmepumpe). Die am Kondensator als Wärmeübertragung gewonnene Nutzwärmeleistung kann dabei ein Mehrfaches der für den Betrieb des Verdichtersystems benötigten Leistung betragen.

Im eigentlichen Sinne stellen Wärmepumpen keine direkten Energiequellen dar, da sie zur Umwandlung der Umgebungswärme auf andere Primär- oder Sekundärenergieträger (z.B. Strom) angewiesen sind.

Für ihren Betrieb benötigen Wärmepumpen ein Kältemittel, das bei niedrigen Temperaturen verdampft. Ein Verdichter (o. Kompressor) saugt das verdampfte Kältemittel an und leitet es unter hohem Druck weiter, was eine Temperaturerhöhung des Kältemittels zur Folge hat. Ein Wärmetauscher entzieht dem verdichteten Kältemittel die Wärmeenergie, mit der z.B. geheizt wird, auf Raumtemperaturniveau. Anschließend wird mit einem Expansionsventil der immer noch vorhandene Druck abgebaut, und der Kreislauf beginnt erneut.

Es soll Pumpen geben, die noch bei Temperaturen von - 25°C arbeiten, eine gute Funktion auch einfacher Modelle ist im allgemeinen bei Temperaturen über + 5°C gewährleistet. Das Betriebs- bzw. Verdichtermittel ist in den meisten Fällen Frigen.

Die Wärmepumpe, die eine angewandte Umkehrung des bekannten Carnot-Kreisprozesses darstellt (und deren Funktion über eine lange Zeit sogar von Spezialisten bezweifelt wurde!) zapft wahlweise Grund- oder Flußwasser, die Außenluft oder das Erdreich an. Durch die darin enthaltene Enthalpie (= Wärmeinhalt) lassen sich je nach Güte der verwendeten Pumpe Leistungszahlen zwischen 2 und 5 erreichen. Die höchste, als Wirkungsgrad deklarierte und im Rahmen der kommerziellen Werbung veröffentlichte Zahl, die ich bislang bei meinen Recherchen fand, betrug 454 %.

Der gewichtete Mittelwert der Leistungszahl über das Jahr nennt man die Jahresarbeitszahl. Üblich sind Jahresarbeitszahlen zwischen 1,5 und 5. Je nach Wärmequelle werden folgende Jahresarbeitszahlen erreicht:

Luft	1,5 – 4,5	üblich  2,0 – 3,0
Erdreich	2,0 – 4,5	üblich  2,5 – 3,5
Grundwasser	2,0 – 5,0	üblich  2,5 – 4,0

Elektrische Wärmepumpen werden in monovalente und bivalente Typen unterteilt. Während die ersten den Heizwärmebedarf alleine decken können (Werbetext: „Sparen Sie 100 % des Heizöls ein !“), decken die bivalenten Modelle nur rund 70 % des Heizbedarfes, und in den allerkältesten Zeiten muß die konventionelle Ölheizung zugeschaltet werden, daher auch der Begriff bivalent. Allerdings unterliegen besonders diese elektrischen Wärmepumpen harscher Kritik, da der Nutzungsgrad der Stromproduktion (zumindest in Deutschland) mit 33 % angegeben wird – und das heißt, daß erst ab einer Leistungszahl 3 die Wärmepumpe wieder soviel Wärmeenergie abgibt, wie bei der Stromproduktion an fossiler Primärenergie verbraucht wurde.

In der folgenden Tabelle sind die Jahresarbeitszahlen für elektrische Wärmepumpen in Abhängigkeit von der verwendeten Wärmequelle aufgeführt:

	Erdsonde	Erdkollektor	Grundwasser	Massivabsorber	Außenluft
Heizung	4,50 – 4,75	4,60 – 4,80	4,90 – 5,60	3,60 – 3,70	3,20 – 3,40
Praxiswerte	3,80 – 5,00	3,80 – 5,00	4,10 – 6,00	3,50	3,00 – 3,40
Warmwasserbereitung	3,10 – 3,25	3,15 – 3,30	3,20 – 3,50	2,00 – 3,00	2,70 – 2,80

Energiepolitisch gesehen wurden und werden elektrische Wärmepumpen von der Elektrizitätswirtschaft aber insbesondere deshalb forciert, weil im Bereich des Nachtstroms beträchtliche Kraftwerksüberkapazitäten bestehen (man denke an die ebenso oft kritisierten Nachtstromheizungen).

Doch werfen wir zunächst einen Blick auf die chronologische Entwicklung in diesem Segment:

Eine frühe Wärmepumpe scheint das Patent von John D. Huston aus Prineville, Oregon, darzustellen, das dieser 1926 beantragt und im November 1930 erteilt bekommt (US-Nr. 1.781.062). Das Gerät soll die Hitze der Luft mittels Kondensatoren nutzen, und dem Erfinder zufolge würde die Maschine ungeregelt so heiß werden, daß sie sich selbst zerstört. Im umgekehrten Betrieb soll sie wiederum eine Temperatur von 120°C unter Null erreichen können.

Die erste Wärmepumpe überhaupt soll 1930 im Haus eines T. N. G. Haldane installiert worden sein, vermutlich in Amerika. Aber schon 1938 installieren auch die Züricher Stadtväter eine Wärmepumpe in ihr Rathaus. Und 1948 entwickelt Prof. Carl Nielsen an der Ohio State University eine Wärmepumpe, die ihre Wärme aus dem Erdreich bezieht – und die er flugs in seinem eigenen Haus einbaut. Etwa um diese Zeit installiert der Ingenieur J. D. Kroker in Portland, Oregon, die erste Grundwasser-Wärmepumpe für den Einsatz in einem Geschäftshaus.

Zwar liegen inzwischen schon jahrzehntelange Erfahrungen auf diesem Sektor vor, trotzdem kommen die Wärmepumpen erst jetzt, im Anschluß an die mehrmalige Ölverteuerung verstärkt auf den Markt – wo sich rund 100 kleine und große Anbieter Konkurrenz machen (Stand 1981). Oft wird auch eine Kopplung mit Sonnenenergie-Systemen empfohlen, ebenso werden Wärmepumpen zur Wärmerückgewinnung aus Abwässern, Stallwärme oder gar Kuhmilch eingesetzt. 1979 gibt es in der Bundesrepublik Deutschland bereits 200 Höfe mit Stalluft-Wärmepumpen.

Seit 1976 arbeitete man bei Fichtel + Sachs an einem Dieselmotor, der ausschließlich für den Einsatz als Wärmepumpe entwickelt wird. Der 9 PS Motor, der mit Heizöl, Erd- oder Flüssiggas betrieben werden kann, soll etwa 40.000 Betriebsstunden durchhalten (was 25 – 30 Jahren entspricht) und Ein- bis Zweifamilienhäuser bei Außentemperaturen von bis zu - 15°C ausreichend beheizen können. Als Amortisationszeit werden 5 Jahre angegeben.

Unter den zu diesem Zeitpunkt angebotenen Modellen finden sich allerdings nur wenige, die nicht elektrisch betrieben werden – was allerdings ein Mißgriff ist. Dies wird deutlich wenn man erfährt, daß elektrische Wärmepumpen nicht einmal den Wärmebetrag zurückgewinnen, der bei der Stromerzeugung ursprünglich verloren gegangen ist, wie ich oben schon einmal anführte. Die hohen Leistungsziffern von Wärmepumpen dürften daher korrekterweise nur für Gaswärmepumpen gelten, wobei diese auf dem Markt jedoch kaum erhältlich sind. Obwohl die Ruhrgas AG beispielsweise schon 1972 mit einem entsprechenden Forschungsprogramm begonnen hat, sind diese Wärmepumpen noch immer nicht Serienreif. Das Ziel ist eine Erdgas-betriebene ‚Volks-Wärmepumpe’ die nicht mit den derzeitigen Mängeln – hohe Lautstärke beim Betrieb und sehr wartungsaufwendig – behaftet ist.

Die Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung e.V. (HEA) in Frankfurt gibt eine Broschüre mit dem Titel ‚Kostenrechnung Wärmepumpe’ heraus, in der dem privaten Bauherrn die notwendigen Entscheidungshilfen zur Auswahl passender Systeme zur Verfügung gestellt wird. Ebenso vergleicht die Stiftung Warentest in ihrer Dezembernummer 1979 ebenfalls 29 Wärmepumpen. In einer weiteren Ausgabe im Juli 1982 werden 14 kleine elektrischen Brauchwasser-Wärmepumpen getestet, von denen allerdings nur eine einzige das Werturteil ‚gut’ erreicht. Bei einem Anbietervergleich im Jahre 1983 stellen sich bereits 150 Produzenten vor!

1980 taucht auf dem Markt erstmals eine ‚steckerfertige’ Kleinstwärmepumpe für 3.200 DM auf – und wird sofort über 25.000 Mal verkauft. Dabei ist die Wassererwärmung in einem konventionellen elektrischen Durchlauferhitzer genauso billig – und der Boiler selbst kostet viel weniger.

Im Juni 1982 wird zwischen der Ruhrgas AG und dem Institut für Kältetechnik im norwegischen Trondheim eine Zusammenarbeit initiiert, bei der es um die Entwicklung eines effizienten Wärmetauschers für Wärmepumpen geht. Es gelingt, die Nutzwärmeabgabe großer Wärmepumpen um 5 % – 10 % zu steigern. Außerdem arbeitet man daran, Wärmepumpen durch den Einsatz elektronischer Prozessoren optimal zu regeln und zu steuern. Das Zentrum von Oslo wird zum damaligen Zeitpunkt bereits durch eine Wärmepumpe mit Heizwärme versorgt, die dem Wasser des Osloer Fjords (6°C – 7°C) entnommen wird.

Die Maritime Geothermal Ltd. im kanadischen Petitcodiac, New Brunswick, beginnt 1983 mit der Herstellung von Wasser-Wärmepumpen unter dem Handelsnamen NORDIC, die hauptsächlich in den Küstenprovinzen verkauft werden. Im Laufe der Folgejahre werden diverse weitere Wärmepumpentypen entwickelt und gebaut, für den privaten, gewerblichen und industriellen Bedarf. 1997 beginnt auch der internationale Verkauf – über das Internet. Fünf Jahre später werden die Märkte Belgien, Irland und Umgarn erschlossen und in Quebec ein großer Vertrieb eröffnet. Die Expansion macht es erforderlich, daß 2008 die Produktionsstätten des Unternehmens erweitert werden müssen. Eine solide Firmengeschichte.

1985 stagniert der Markt in Deutschland, möglicherweise aufgrund seiner Undurchsichtigkeit: Die Wärmepumpen-Hersteller geben häufig nicht gemessene, sondern errechnete Leistungszahlen ab – die zumeist zwischen 3 und 4 liegen. Diese Leistungszahl schrumpft aber beträchtlich und schnell, wenn die Differenz zwischen den Temperaturen von Heizung und Wärmequelle zunimmt – d.h. wenn sich die Quelle (Luft, Grund-, Fluß-, oder Seewasser) im Winter stärker abkühlt. Oft wird auch verschwiegen, daß die Nebeneinrichtungen der Wärmepumpe, also Umwälzpumpen, Ventilator, Abtauvorrichtung oder Verdichter-Vorheizung zusätzliche Energie benötigen, die in die Rechnung einzubeziehen sind. Zwischen 1987 und 1993 werden deshalb insgesamt nur 5.000 Anlagen abgesetzt.

Ebenfalls 1985 veröffentlicht die Arbeitsgemeinschaft für Energieforschung (ENFOG) im schweizerischen Gossau das Ergebnis einer Vergleichsuntersuchung von 11 Elektro-Wärmepumpen-Anlagen, die zwischen 1982 und 1984 durchgeführt wurde. Die gemessenen Werte, die als ‚Mittlere Anlagen-Leistung’ (MALZ) bezeichnet werden, liegen demnach zwischen 1,87 und 2,62. Eine MALZ von 3,0 sei aber erreichbar, wenn die bemängelten Schwachstellen dieser Technologie ausgemerzt werden: zu knapp bemessene Wärmetauscher und Expansionsventile, falsch berechnete Kältemittelbefüllung, zu lange Saugleitungen und ungenügend durchdachte Steuerungen.

1986 wird in Schweden eine Wärmepumpe vorgestellt, deren Absorber als metallene Gartenzaun-Segmente gestaltet sind.

1988 sind in der Bundesrepublik Deutschland nach einer Untersuchung des BMFT bereits rund 250.000 Wärmepumpen in Betrieb. Im gleichen Jahr beweisen Ingenieure der University of Alberta im kanadischen Edmonton, daß man Wärmepumpen auch in arktischen Gebieten einsetzen kann: Ihr mit Ammoniak betriebener Generator nutzt den Temperaturunterschied zwischen dem Meer (etwa 0°C) und der erheblich kälteren Luft. Die Maschine beginnt Energie zu liefern, sobald der Unterschied mehr als 7°C beträgt, und je kälter die Luft wird, desto wirkungsvoller ist die Energiegewinnung.

Der französische Physiker Raoul Pictet hat sich zwar schon 1888 eine Kompressionswärmepumpe (KWL) mit Lösungskreislauf patentieren lassen, doch es gelingt 100 Jahre lang nicht, ein funktionierendes System zu bauen. Erst nach siebenjähriger Vorarbeit kann 1988 am Institut für Verfahrens- und Kältetechnik in Zürich ein Prototyp vorgestellt werden, der für 10 Energieeinheiten, die in das System gesteckt werden, 42 zurück gibt. Wärmequelle ist 40°C warmes Industrieabwasser, das auf 15°C abgekühlt wird und dabei über einen Wärmetauscher Heizwasser auf 70°C erhitzt. Zwischen der Wärmequelle und dem Heizkreislauf zirkuliert eine Lösung aus Ammoniak und Wasser. Die Lösung nimmt die Abwasserwärme auf, wobei das Ammoniak verdampft. Dieser Dampf wird in einem Kompressor verdichtet und weiter erwärmt. Der nun heiß gewordene Ammoniakdampf erhitzt in einem Wärmetauscher das Wasser des Heizkreislaufes. Zusätzlich wird das ausgedampfte, ammoniakarme Wasser wieder mit dem Dampf zusammengebracht, wobei das Ammoniak sich erneut löst. Dabei wird noch einmal Wärme frei, die den Wirkungsgrad der Pumpe erhöht. Die Herstellungskosten für das System liegen aber noch zu hoch, um es für Privathaushalte in Frage kommen zu lassen.

Der Weltrekord im Wirkungsgrad für zweistufige Absorptionswärmepumpen hält über eine lange Zeit die Zeolith-Anlage von Prof. Georg Alefeld der TU-München, die mit einem kommerziellen japanischen Gerät gekoppelt ist und als Kühlschrank betrieben wird. Prof. Alfeld entwickelt schon 1989 einen Wärme-Transformator mit einen Wirkungsgrad von 50 %, der mehrstufig mit einer Lithiumbromid-Lösung arbeitet und Industrie-Abwärme von 80°C auf 140°C anhebt.

Henning W. Scheel ist der Erfinder der acalor Direktwärmepumpe mit Direktkondensation und Firmenchef des gleichnamigen Unternehmens, der in Lübow und Ennepetal stationierten acalor GmbH. Scheel zufolge habe er dabei das Prinzip der Fußbodenheizung, des Kühlschranks und der Einkreis-Wärmepumpe neu zusammengeführt, woraus eine Direktwärmepumpe entstanden ist, die zum Heizen des Hauses ausschließlich die Wärme der Außenluft nutzt. Die Innovation ist bereits 20 Jahre alt, doch ihre geschäftliche Umsetzung beginnt erst 1990.

Da die Wärmepumpentechnik inzwischen etwas in Vergessenheit geraten ist, gibt das vom BMFT geförderte Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (IZW) Anfang 1993 eine Mappe mit rund 90 Beispielen von erfolgreich arbeitenden Wärmepumpen heraus.

Weil man sich augenscheinlich besonders in der Schweiz gerne mit Wärmepumpen beschäftigte, verwundert es auch nicht, daß 1993 ein Schweizer Konstrukteur namens Hans Stierlin eine neuartige Diffusions-Absorpions-Wärmepumpe (DAWP) vorstellt, nachdem ein fünfjähriger Labortest erfolgreich verlaufen war. Die gasbetriebene Wärmepumpe nutzt die Abluft eines Hauses, sie besitzt einen Multiflow-Verdampfer-Gaswärmetauscher, ist für 3 kW Heizleistung konzipiert, mit einem Liter Ammoniak als Absorptionsmittel befüllt und modular aufgebaut, d.h. mehrere DAWO-Module lassen sich problemlos hintereinander schalten. Als Gasersparnis gegenüber einem Gasheizkessel werden 30 % angegeben.

Im Rahmen des noch bis 1998 laufenden 100 Mio. DM Förderprogramms für Erneuerbare Energie bezuschußt die Bundesregierung den Einbau von Wärmepumpen – allerdings nur von solchen, die Arbeitszahlen größer als 3,2 aufweisen und ohne FCKWs arbeiten. Je kW installierter Leistung gibt es 300 DM, maximal 20.000 DM. Einige Bundesländer gewähren darüber hinaus noch weitere Zuschüsse.

Im Jahr 1996 scheint das Interesse an elektrischen Wärmepumpen in Deutschland wieder zuzunehmen, und die Umsätze stiegen um etwa 20 %. Gründe dafür sind zum einen die inzwischen erreichte hohe technische Qualität der Anlagen, und zum anderen die staatlichen Fördermaßnahmen. Ende 1996 sollen deutschlandweit insgesamt genau 47.380 Stück installiert sein. Allerdings werden gleichzeitig auch viele Anlagen stillgelegt, die aus der Zeit des Booms Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre stammten. 1996 sollen es etwa 3.000 Anlagen gewesen sein – gegenüber 2.310 Neuinstallationen.

Wohl auch aus diesem Grund starten im Herbst 1997 die VDEW, die Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendungen (HEA), die Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft (IZE) und der Initiativkreis Wärmepumpe (IWP) eine breitangelegte Informationskampagne zur Stimulierung des Absatzes von (natürlich nur) Elektro-Wärmepumpen.

Ende 1997 werden schon fast 50.000 (andere Quellen: 47.000) in Betrieb befindliche Wärmepumpen mit einem elektrischen Anschlußwert von insgesamt mehr als 350 MW gezählt, doch bei dieser Zahl stagniert der Zuwachs. Der Anteil der Wärmepumpe am der Heizenergie in Deutschland liegt damit bei rund 0,2 % und der Marktanteil bei neu installierten Heizungssystemen deutlich unter 2 % (im Gegensatz zu 33 % in der Schweiz beispielsweise). Sole-Erdwärmepumpen von Siemens erreichen inzwischen Leistungszahlen von 4,8 bis 5,0.

Im Herbst 1998 beginnt der Bau des größten bayerischen ‚Wärmepumpen-Dorfes’ in Steinberg (Landkreis Schwandorf), wo bis 2001 insgesamt 66 Ein- und Mehrfamilienhäuser mit Wärmepumpensystemen ausgestattet werden. Dabei werden sowohl Beton-Absorber als auch 70 m tiefe Erdsonden eingesetzt. Gleichzeitig stellt das ISE ein gemeinsam mit der EnBW Badenwerk AG entwickeltes Kompaktheizgerät vor, das bei Passivhäusern in Neuenburg eingesetzt wird. Bei diesen reicht eine Mini-Wärmepumpe im Lüftungskreislauf aus, um das ganze Haus zu beheizen.

1999 fördern schon 128 deutsche Stromversorger die Anschaffung von Wärmepumpen mit Beträgen um 2.000 DM, da die Installationskosten noch immer um rund 5.000 DM höher liegen als bei modernen Gas-Brennwertkesseln. Außerdem werden als Markterschließungsangebot Strom-Sondertarife angeboten. Zusätzliche Investitionszuschüsse werden vom Bund und einigen Ländern vergeben. Trotzdem werden jährlich aber nicht mehr als 5.000 Anlagen verkauft. Neben den vertikalen Erdsonden werden dabei zumeist Erdabsorber installiert, die auf einen Fläche von etwa 12 m² und in einer Tiefe von 1,5 m ausgebracht werden. Außenluft-Wärmepumpen werden dagegen kaum noch gebaut.

Als Leitprojekt der Brandenburger Energie Technologie Initiative (ETI) wird 2000 mit dem Bau einer Wohnsiedlung in Mühlenbeck am nördlichen Stadtrand von Berlin begonnen, bei der zehn Einfamilienhäuser und sechs Doppelhaushälften mit einem ‚kalten Nahwärmenetz’ versorgt werden, in dem ein Wasser/Glycol-Gemisch zirkuliert. Die Beheizung erfolgt durch ein Sondenfeld mit 50 m Tiefe, wo je nach Jahreszeit eine Temperatur zwischen 3°C und 12°C anzutreffen ist. Die Wärmepumpen geben 35°C warmes Wasser für Fußbodenheizungen und Radiatoren ab.

Ebenfalls 2000 stellt die TU Dresden eine mit CO₂ betriebene Wärmepumpe vor, da dieses Gas aus ökologischer Sicht als ideales Kältemittel gilt. Allerdings gelten die für den Einsatz notwendigen hohen Drücke als signifikanter Nachteil dieses Kältemittels. Bei dem BMWi- und EU-geförderten COHEPS-Projekt wird eine kombinierte Expansions-Kompressionsmaschine entwickelt, welche die Druckdifferenz bei der Entspannung des Arbeitsgases nutzt, um die Verdichterarbeitsleistung zu mindern. Als für die CO₂-Wärmepumpe geeignete Einsatzbereiche gelten insbesondere industrielle Trocknungsprozesse, Luftentfeuchtungsgeräte und die Warmwassererzeugung. En weiteres Projekt, an dem im Rahmen von COHEPS gearbeitet wird, ist die Entwicklung einer pumpenlosenCO₂-Erdwärmesonde für Wärmepumpen, die gegenüber herkömmlichen Solesystemen gewisse Effizienzvorteile verspricht.

Der Österreicher Peter Bammer gründet 2003 die Firma AirCom Power Energietechnik GmbH, die sich zur Aufgabe setzt, den kompletten Energiemix von Kraft, Wärme, Kälte und Strom miteinander zu koppeln und verfügbar zu machen. Dies führte schließlich zur Entwicklung eines völlig neuen Wärmepumpesystems, der Hochdruckwärmepumpe, bei der die Solarenergie mit der Pneumatik verknüpft wird. Der Trick dabei ist die Nutzung der Expansion normaler Umgebungsluft unter hohem Druck. Der Druckanstieg wird mit einem speziellen Druckluftmotor erzielt, außerdem werden Hochdruck-Solargaspaneele verwendet, die im Gegensatz zu herkömmlichen Solarkollektoren mit komprimierter Luft gefüllt sind. Das System scheint bislang jedoch noch nicht umgesetzt worden zu sein.

2004 stellen sich die Initiatoren eines GROUNDHIT genannten Projekts das ehrgeizige Ziel, technische Lösungen für hocheffiziente Wärmepumpen in Verbindung mit der Wärmequelle Geothermie zu entwickeln. Die Initiative von Institutionen und Unternehmen aus Portugal, Polen, Österreich, Griechenland, Frankreich und Deutschland wird aus Mitteln der EU unterstützt. Projektführer ist das griechische Zentrum für Erneuerbare Energien (CRES), und von deutscher Seite ist der GtV-BV (Geothermische Vereinigung - Bundesverband Geothermie e.V.) an dem Vorhaben beteiligt.

Bis 2008 werden der Prototyp einer koaxialen Erdwärmesonde sowie drei Wärmepumpenmodelle entworfen und an drei Demonstrationsstandorten in Österreich, Griechenland und Portugal getestet. Besonders interessant ist eine von CIAT, einem der führenden französischen Hersteller von Klimatechnik und Wärmepumpen entwickelte Maschine, die in Temperaturbereichen um 80°C Ergebnisse liefert, die sehr nahe an die geforderte Mindestjahresarbeitszahl 3 heranreichen. CIAT sucht nun nach Partnern um seine Anlagen weiterentwickeln zu können.

John Siddons hat schon in den späten 1970er Jahren die Idee für eine neuartige Warmwasser-Wärmepumpe, doch es dauert bis 1983, bis er mit seinem Produkt zufrieden ist, der Siddons Solar Plus, die als solar unterstützte Warmwasser-Wärmepumpe auch die erste Generation von Wärmepumpen auf dem australischen Markt darstellt. Das erfolgreiche technische Design setzt gleichzeitig einen neuen Maßstab bei Energieeinsparungen. Die staatliche Electrical Commission befragt hundert Benutzer des Produkts und erhält die positivsten Antworten, die sich jemals aus einer Umfrage ergeben haben. Viele von diesen frühen Warmwasser-Wärmepumpen sind noch heute im Einsatz.

John macht weitere Verbesserungen und gründet im Jahr 1989 die Firma Quantum Energy Systems, welche eine neue Generation von Luft-, Wasser- und Wärmerückgewinnungs-Warmwasser-Wärmepumpen entwickelt und herstellt, die nach China, Italien, Singapur und in andere Länder exportiert werden. In den späten 1990er Jahren verkauft die Siddons-Familie Quantum, während gleichzeitig Forschungen starten, die zu einem neuen, patentierten Kondensator-Tank und sogar zu Verbesserungen an der Wärmepumpe selbst führen. 2005 wird daraufhin die Siddons Solarstream Pty. Ltd. gegründet, um die Neuentwicklung zu vermarkten.

Bei einem zweijährigen Feldtest, den die Agenda 21 Gruppe ab 2006 im badischen Lahr mit 33 marktüblichen Wärmepumpenanlagen durchführt, erweisen sich Erdreichkollektoren als die Spitzenreiter. Über die Feldtest-Phase 2, bei der innovative Wärmepumpensysteme untersucht werden (2009 – 2012) berichte ich weiter unten.

Im August 2006 startet auch das Fraunhofer-Institut (ISW) einen vierjährigen Feldtest mit 140 elektrischen Wärmepumpen für Einfamilienhäuser, bei dem Produkte der Marken Alpha-Inno Tec, Buderus, Junkers, Hautec, NIBE, Siemens-Novelan, Stiebel Eltron, Tecalor, Vaillant und Viessmann zum Einsatz kommen. Neben den Herstellern begleiten und fördern die Energieversorger EnBW und Eon Energie das Projekt, während das Bundeswirtschaftsministerium die Hälfte der Projektkosten übernimmt.

Im September 2007 präsentiert die neu gegründete und in Akron, Ohio, beheimatete Firma reXorce Thermionics, die später in Echogen Power Systems LLC umbenannt wird, eine Wärmepumpe namens Thermafficient pump, die umweltfreundliches und ungiftiges überkritisches Kohlendioxid (ScCO₂) und andere Betriebsflüssigkeiten verwendet. Bis 2010 gelingt es dem Unternehmen eine 5 kW Labor-, eine 15 kW Pilot- und eine 250 kW Demonstrationsanlage zu errichten und erfolgreich in Betrieb zu nehmen. Die letztgenannte Anlage hat die Maaße eines Frachtcontainers und ist ebenso transportabel. Bis Anfang 2011 sollen die Syteme des Unternehmens auf 4 MW bis 8 MW hochskaliert werden.

In Deutschland verzeichnen derweil insbesondere die Oberflächennahen Erdwärmesysteme hohe Zuwachsraten, und alleine 2007 werden ca. 27.000 Stüch dieser Anlagen neu installiert. Insgesamt werden zu diesem Zeitpunkt bereits ca. 120.000 Gebäude durch erdgekoppelte Wärmepumpen mit Heizenergie versorgt.

Ab dem 1. Januar 2008 greift die neue Förderrichtlinie des Marktanreizprogramms zum Einsatz von regenerativen Energien. Dies bedeutet, daß man beim Einbau einer Wärmepumpe im Neubau bis zu 2.000 € und im Bestand bis zu 3.000 € erhält, wobei in Kombination mit einer Solaranlage weitere 750 € Förderung dazu kommen. Für dieses Jahr stellt die Bundesregierung hierfür etwa 350 Mio. € zur Verfügung, während für 2009 sogar bis zu 500 Mio. € bereitstehen. Ausgehend von den aktuellen Ölpreisen (zu Jahresbeginn hat der Ölpreis auf dem Weltmarkt die ehemals magische Grenze von 100 $ je Barrel übersprungen) amortisieren sich die Mehrkosten für den Einsatz einer Wärmepumpe innerhalb von zehn Jahren.

Von Hallowell International aus Bangor, Maine, neu vorgestellt wird in diesem Monat ein voll-elektrisches kombiniertes Heiz- und Kühl-Luft-Wärmepumpensystem namens Acadia, das bei Temperaturen von - 30°C noch zufriedenstellen funktioniert. Der Trick dabei ist ein zweiter Kompressor, der rund um die Wärmepumpe eine künstliche Umgebung schafft, deren Temperatur etwa um 10° höher liegt als normal. Das US-Verteidigungsministerium installiert die Acacia Systeme bald darauf in 2.000 Wohneinheiten in Fort Dix in New Jersey. Als Einzelpreis werden 15.000 $ angegeben.  

Eine Wärmepumpe benutzt auch die in Houston beheimatete und Anfang 2008 gegründete Firma AirGenerate Inc. von Rick Pal und Sunil Sinha, deren AirTap genanntes Produkt die Effizienz von Standard-Warmwasserbereitern beträchtlich verbessert. Das quadratische Metallgerät kann an der Spitze jedes marktüblichen Wassertanks befestigt werden, wo er das Wasser durch die ihn umgebende Luft erhitzt. Damit sind dem Unternehmen zufolge eine um 300 % verbesserte Effizienz und eine bis zu 80 % betragende Energieeinsparung möglich. Die Systeme gelten zu diesem Zeitpunkt als die energieeffizienesten Wasserheizungen in den USA. Ebenfalls bemerkenswert ist der äußerst günstige Preis von 699 $, der durch eine regierungsseitige Förderung in Höhe von 300 $ noch einmal merklich reduziert wird. Schon Ende des Jahres kann das Unternehmen mehrere 1.000 installierte AirTap-Systeme in 45 Bundesstaaten sowie Kanada vorweisen.

GE gibt im Mai 2009 bekannt, daß man in diesem Sommer mit dem Verkauf einer intelligenten Wärmepumpe samt Warmwasserspeicher beginnen wird, die den Energieverbrauch im Vergleich zu einer herkömmlichen Wärmepumpe um die Hälfte reduzieren soll. Die neue Wärmepumpe verfügt über drei Einstellungen (Level 1 bis 3), bei denen sie die Temperatur ändert oder während Spitzenlastzeiten selbständig die Leistung reduziert.

Im gleichen Monat meldet die Presse, daß eine Gruppe englischer Ingenieure nach zehnjähriger Forschungstätigkeit eine fortschrittliche Wärmepumpe entwickelt und mit einem hocheffizienten Energiespeicher-System verbunden haben, das aus zwei Silos voller Kies besteht und Pumped Heat Electricity Storage (PHES) System genannt wird. Sie können bereits zwei kleinere Demonstrationsanlage vorweisen.

Die 2007 von Jon Howes and James Macnaghten in Cambridge gegründete Firma Isentropic Ltd., benannt nach einem reversiblen Prozeß in der Thermodynamik, sucht nun nach einer Finanzierung in Höhe von 5 Mio. $, um ihre Technologie in großem Maßstab umzusetzen. im Jahr 2008 erhält das Unternehmen bei einer ersten Finanzierungsrunde A Investitionsmittel der Credit Suisse Securities Europe und erzielt außerdem eine Forschungsförderung des Carbon Trust in Höhe von 250.000 £ (~ 380.000 $). Insgesamt habe man 2009 etwa 1 Mio. $ in der Kasse.

Die neue Wärmepumpe soll eine reversible (isentrope) Effizienz von 99 % besitzen, und das Energiespeichersystem komprimiert Argon-Gas um eine Temperaturdifferenz herzustellen, während die Hitze und die Kälte in zwei separaten großen Kies-Silos speichert werden. Durch die geringfügigen Kosten der einzelnen Komponenten wird das System als eine der preisgünstigsten Energiespeicherlösungen betrachtet. Ein weiterer Vorteil ist, daß es sich sowohl unterirdisch als auch unter Wasser installieren läßt, was insbesondere für die Energiespeicherung bei Offshore-Windparks von großem Interesse ist.

Mitte 2011 erfolgt der Umzug nach Segensworth in Hampshire, und im Juni 2012 wird gemeldet, daß das britische Energy Technologies Institute (ETI) nun 14 Mio. £ (~ 22 Mio. $) in das Projekt der Isentropic investieren wird. Die Firma wird die Mittel für die Entwicklung und Bereitstellung eines 1,5 MW/6 MWh Stromspeichers verwenden, der bei einer Trafostation der Western Power Distribution in den Midlands errichtet werden soll.

Eine weitere britische Firma, die Electrorad U.K. Ltd. aus Leeds, stellt Ende 2009 einen Gartenzaun vor, der als Kollektor für eine Wärmepumpe dient (über die o.g. schwedische Firma, die im Jahre 1986 ein ähnliches System präsentierte, konnte ich bislang nichts herausfinden). Der Zaun bestehend aus vielen Absorberrohren, in denen ein Thermofluid zirkuliert, und nutzt im Grunde die Wärmequellen der Sonne, des Bodens und der Luft. Dies kommt daher, weil die Rohre nicht nur einen Meter über, sondern auch einen Meter in die Erde eingebettet werden, wobei man pro laufendem Meter von einen Wärmeertrag in Höhe von 1 kW ausgeht. Ein 6 m langer Zaun besteht aus insgesamt 400 m Absorberrohr. Bei einem Versuch im Winter soll das System einen COP von über 5 erreicht haben, was einer Effizienz von 500 % entspricht. Ansonsten beschäftigt sich die Firma primär mit Elektro-Heizungen (und auf der Homepage ist 2012 auch nicht mehr das Geringste über das Zaun-Wärmepumpensystem zu finden, was eigentlich schade ist).

2009 beginnt auch die Feldtest-Phase zwei der Agenda 21 Gruppe im badischen Lahr, bei der es diesmal um innovative Wärmepumpensysteme geht. Die Untersuchungen sollen bis 2012 fortgeführt werden und sich insbesondere mit Luft-Kompakt-Wärmepumpen beschäftigen, die mit kontrollierter Wohnraumlüftung, Wärmerückgewinnung und Warmwasserbereitung kombiniert sind, mit der Unterstützung von Wärmepumpen durch Sonnenkollektoren und Solarabsorber, mit Kaltquellen wie der Abwassernutzung, oder mit Einzelkomponenten wie CO₂, Wärmerohren (Heat-Pipes) u.ä.

Das Jahr 2010 startet mit einer Meldung des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) e.V., der zufolge in Deutschland 2009 rund 55.000 Wärmepumpen verkauft wurden. Der Gesamtbestand stieg damit auf über 330.000 Stück. Erheblich zugenommen habe die Anzahl der reversiblen Wärmepumpen, die nicht nur zum Heizen, sondern auch zum Kühlen verwendet werden können. In den kommenden Jahren könnte die Elektrowärmepumpe zunehmend Konkurrenz durch mit Gas befeuerte Geräte bekommen, die bei verschiedenen Herstellern in der Entwicklung oder bereits im Feldtest sind. Sowohl Erdsonden- als auch Erdkollektoranlagen sind inzwischen technisch ausgereift und erreichen auch unter realen Bedingungen eine hohe Effizienz.

Um solares Heizen auch in unseren Breiten zu verwirklichen entwickelt die deutsche Firma Consolar aus ab 2003 das solare Wärmepumpensystem SOLAERA, das aber erst Anfang 2010 seine Serienreife erreicht. Das System arbeitet Tag und Nacht und liefert die für die Hauswärmeversorgung benötigte Wärme über Hybridkollektoren, welche nicht nur Wärme aus Sonnenstrahlen einfangen, sondern durch ein zuschaltbares Gebläse auch die Energie der Umgebungsluft nutzen. Im Vergleich zu normalen Kollektoren kann ein Hybridkollektor in den Wintermonaten bis zu der vierfachen Wärmemenge liefern. Ein Teil der gewonnenen Wärme wird in einem patentierten 320 l Wasser/Eis-Speicher untergebracht, der die Wärme verlustfrei speichern soll. Die neue Solar-Wärmepumpenheizung sei damit in der Lage, gegenüber einer herkömmlichen Heizung bis zu 85 % des Wärmeverbrauchs einzusparen.

Entwickelt wurde SOLAERA mit Unterstützung der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, und an der Realisierung waren das Fraunhofer-Institut ISE in Freiburg und das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik in Stuttgart beteiligt. Anfang 2011 erhält Consolar als einziger Solarwärmehersteller für seine Solar-Heizung die Auszeichnung ‚Grünes Haus Wärme 2011’. Das System war zuvor schon mit dem OTTI-Innovationspreis 2007, dem Schweizer Energissima Innovationspreis und dem Blauen Engel ausgezeichnet worden. Mittlerweile wurden bereits deutlich über 100 Systeme im In- und Ausland verkauft.

Einen im September 2010 erschienen Pressebericht ziert eine Überschrift, die neugierig macht: „Neue Wärmepumpe auf Wasserbasis ist 600 mal kleiner“. Wie es sich herausstellt, handelt es sich bei der Lima-1 (auch: Limnion) genannten Anlage um eine kompakte Wärmepumpe, die etwa 1 m über dem Boden offener Gewässer installiert wird. Doch anstatt auf dem Seegrund eine riesige Matte aus Schlaufen auszulegen, packt die neue Vorrichtung den Wärmetauscher zu einem relativ kleinen Paket zusammen, welches das Wasser auf natürlichem Weg durch die kapillarartigen Schläuche strömen läßt.

Das nur 1 m durchmessende Gerät nutzt dabei die immense Fähigkeit des Wassers, Wärme zu halten und zu übertragen; neben der Tatsache, daß es auch an vielen Orten leicht zugänglich ist. Zur Wärmeübertragung verwendet Lima-1 eine große Anzahl von kurzen, 6 mm durchmessende Röhrchen aus Fluorpolymeren mit einer Gesamtlänge von 800 m, die über eine Reihe von Verteilern mit einem Einlaß- und einem Auslaßrohr verbunden sind. Den Kondensator durchläuft ein nichttoxisches Frostschutzmittel, das die Wärme des Gebäude-Wärmetauschers effizient zu dem Wasserkörper transferiert. Das System scheint von einer kanadischen Firma namens Heat-Line entwickelt worden zu sein – leider ist nichts näheres darüber zu erfahren.

In der Anfang 2011 veröffentlichten Branchenstatistik des BWP wird gemeldet, daß 2010 mit 51.000 Stück etwa 7 % weniger Wärmepumpen verkauft wurden als im Jahr davor. Dabei übertraf die Anzahl der Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen sowie Luft/Wasser- Wärmepumpen erstmals die Anzahl der erdgekoppelten Wärmepumpen.

Im April 2011 berichten Forscher der norwegischen Universität Stavanger um Jan Kåre Bording und Vidar Hansen, daß sie gemeinsam mit Kollegen der Universität Oslo eine Wärmepumpe entwickelt haben, die ,unendlich lange’ laufen soll. Das nach dem Prinzip der Thermoelektrik funktionierende System beruht auf einer Vielzahl extrem kleiner, aber sehr einfach aufgebauter Einzelpumpen, die zusammengesetzt eine größere Pumpe bilden.

Das System ist nicht so klar beschrieben, daß ich es tatsächlich nachvollziehen konnte, es braucht den Wissenschaftlern zufolge aber keine Kältemittel, kann in seiner Form dem Einsatzort angepaßt werden und hat zudem keinen Verschleiß. Daneben sei nur noch ein handelsübliches Gebläse notwendig, um die heiße oder kalte Luft zu bewegen. Die winzigen Pumpen der Größe 1 x 1 mm, die beliebig gebündelt und zu Tausenden an verschiedenen Stellen des Hauses verteilt werden können, bestehen aus einem einzigen, unbeweglichen Halbleitermodul, womit das System theoretisch ohne Beschränkung der Lebensdauer einsetzbar ist. Die Entwicklung ist derzeit im Testbetrieb und soll in fünf bis zehn Jahren Marktreif sein.

Die Branchenstatistik des BWP von Anfang 2012 meldet, daß in Deutschland im Jahr 2011 wieder deutlich mehr Heizungswärmepumpen installiert wurden als im Vorjahr, mit 57.000 Stück ist das eine Steigerung um 11,8 %. Führend sind dabei weiterhin die Luft/Wasser-Wärmepumpen, da sie im Schnitt einige Tausend Euro günstiger in der Anschaffung sind als Erdwärmepumpen.

Bei GE in Louisville, Kentucky, startet im Februar 2012 die Produktion des GeoSpring hybrid water heater, ein hocheffizienter elektrischer Durchlauferhitzer, der durch einen kleinen Luftwärme-Tauscher als Wärmepumpen-Aufsatz 62 % weniger Energie für die Wassererhitzung benötigen soll, als bisherige Modelle. Der integrierte Kompressor und Verdampfer nutzt einen Ventilator, um der Umgebungsluft Wärme zu entziehen und ein Kältemittel zu erhitzen. Das erwärmte Kältemittel fließt dann durch Spulen, die sich durch den gesamten Tank bis nach unten ziehen, und gibt seine Wärme an das dort befindliche Wasser ab. Dem Großunternehmen zufolge amortisiert sich der Boiler, der im Einzelhandel für 1.199 $ bis 1.299 $ angeboten wird, durch seine Stromeinsparung in nur 3 Jahren.

Im März wird gemeldet, daß Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Richland, Washington, gemeinsam mit Chemikern der University of South Florida seit Ende des Vorjahrs eine neue Wärmepumpe für E-Fahrzeuge entwickeln, die nicht größer als eine Zwei-Liter-Flasche und etwa 2,5 kg schwer werden soll. Ohne Details bekannt zu geben, werden in dem Kurzbericht Begriffe wie Nanomaterialien und molekulare Wärmepumpen erwähnt sowie auf ein elektrisch-metalorganisches Rahmenwerk hingewiesen, was immer das auch sein soll. Hinzu kommt, daß die kompakte und leichte Wärmepumpe für Heizung und Kühlung sorgen und außerdem effizienter als herkömmliche Anlagen sein soll. Das DOE unterstützt die Arbeiten mit einem Forschungszuschuß in Höhe von 803.000 $. Man darf also gespannt bleiben.

Als die „weltweit energieeffizienteste Wärmepumpe“ bezeichnet Mitte 2012 die US-Firma WaterFurnace International Inc. ihr neuestes Produkt 700A11, das mit einem Wirkungsgrad von 41 % bzw. einer Leistungsziffer von 5,3 aufwartet.

Insgesamt kann man konstatieren, daß die Wärmepumpe inzwischen ein weitverbreitetes Produkt darstellt, und daß in Neuentwicklungen nicht mehr allzu viel investiert wird.

Vuilleumier-WÄrmepumpe

Die nach ihrem französischen Erfinder Rudolph Vuilleumier aus dem Jahr 1918 benannte Wärmepumpe nutzt als Antrieb einen regenerativen Gas-Kreisprozeß, der ähnlich dem Prozeß eines Stirlingmotors verläuft. Neben den bereits unter Wärmepumpen genutzten mechanischen und thermischen Verdichtern kann dieser Prozeß als weitere Verdichterbauart angesehen werden. Ein Gas strömt hier periodisch über Regeneratoren zwischen verschiedenen Temperaturniveaus hin und her, während dessen Wärme aus der Umgebung bzw. aus der Gasverbrennung aufgenommen wird. 

Im Vergleich zu anderen Wärmepumpen hat die Vuilleumier-Wärmepumpe einige Vorteile: Ihre Antriebsenergie ist Wärme, die von außen zugeführt wird, z.B. durch Solarenergie. Umgebungswärme kann auch auf niedrigem Temperaturniveau genutzt werden, und selbst mit Außenluft als Wärmequelle erreicht die Vuilleumier-Wärmepumpe hohe Leistungszahlen. Eine ebenso mögliche äußere Verbrennung ermöglicht einen schadstoffarmen Betrieb sowie die Anpassung an unterschiedlichste Brennstoffe. Als Arbeitsgas dient umweltneutrales Helium. Tatsächlich genutzt wird die Vuilleumier-Wärmepumpe bisher nur bei sehr speziellen Einsatzzwecken, wie bei der Kühlung von Infrarotsensoren oder des Fangs von Fischkuttern, da diese Pumpenart besonders gut zum Erzielen tiefer Temperaturen geeignet ist. 

In den 1980er und 1990er Jahren arbeiteten Forschungsgruppen in Deutschland, den Niederlanden, Dänemark und Japan an Versuchsmustern. Um die Technik gezielt für den Hausheizungssektor zu erschließen, fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) ab 1993 ein Joint Venture von zwei Heizgeräte-Herstellern, die in Kooperation mit Materialforschungsinstitutionen mehrere gasbetriebene Vuilleumier-Wärmepumpen mit Nennleistungen von 4 und 20 kW entwickelten. Einige Prototypen laufen ab 1998 in einem Dauerbetriebstest. Besonders die Viessmann-Werke in Allendorf haben die Vuilleumier-Wärmepumpe im kleinen Leistungsbereich weiterentwickelt. Zur Zeit liegt ein Serienentwurf für ein 20 kW Gerät vor. Die Leistungszahlen liegen im Bereich über 1,6 (Stand 2000).

Im Jahr 2011 belegt Thilo Ittner aus Ravensburg den 2. Platz bei dem seit 2005 vergebenen Artur Fischer Erfinderpreis Baden-Württemberg. Bei seiner Erfindung handelt es sich um eine Vuilleumier-Wärmepumpe mit diskontinuierlicher und praktisch verschleißfreier Kolbenbewegung. Der Unterschied gegenüber den bisherigen getriebegesteuerten Lösungen besteht hauptsächlich in einem neuartigen elektromagnetischen Antriebskonzept für die Verdrängerkolben. Von einer Umsetzung ist mir nichts bekannt, im Laufe der Folgejahre hört man auch nichts mehr über diese Technologie.

Grenzen der WÄrmepumpen-Nutzung

Die Grenzen der Wärmepumpen-Nutzung zeigen sich sehr deutlich wenn man weiß, daß im allgemeinen ein Betrieb unterhalb einer Temperatur von minus 5°C unwirtschaftlich ist, und daß ein verstärkter Einsatz von elektrisch betriebenen Wärmepumpen die Deckung eines steigenden Energiebedarfs seitens der Stromversorgungsunternehmen erforderlich macht – vermutlich am liebsten durch Kernkraftwerke.

Für die reine Brauchwasser-Erwärmung sind Wärmepumpen aufgrund des hohen Temperaturniveaus von Warmwasser und der daraus resultierenden geringen Leistungszahl (weit unter 3) eigentlich abzulehnen.

Bei den klimarelevanten Schadstoffen sind mit Nachtstrom betriebene Wärmepumpen mit Jahresarbeitszahlen kleiner oder gleich 6 schlechter als Gas-Brennwertkessel, bzw. mit Jahresarbeitszahlen kleiner oder gleich 5 schlechter als Öl-Kessel.

Das Anwendungsgebiet beschränkt sich meist auf den Neubaubereich (Ein- und Zweifamilienhäuser), da ein nachträglicher Einbau einer Wärmepumpe aufgrund der aus Effizienzgründen notwendigen Errichtung eines Fußbodenheizungssystem für den Altbau zu teuer ist.

Doch auch im industriellen Sektor ist die Anwendung dieses Systems meist noch unrentabel. Die Kost­en für kleinere Einheiten (Einfamilienhaus) betrugen 1981samt Einbau etwa 12.000 bis 18.000 DM – also doppelt so teuer wie in den USA, wo alleine 1979 rund 560.000 Wärmepumpen für Heiz- oder Kühlzwecke verkauft wurden. Als Amortisationszeit galten 7 bis 14 Jahre – was viele Bauherren trotz gestiegener Energiepreise immer noch abschreckt. Außerdem waren frühe und häufige Reparaturen die Regel.

Die Preise sind dann sogar noch angestiegen: für 1982 wurden 18.000 – 35.000 DM genannt, für 1983 sogar 15.000 – 50.000 DM.

Aktuelle Zahlen und Preise sind im Netz leicht zu finden.

Effiziente Heizsysteme

Da es sich bei Heizsystemen um Energieverbraucher handelt, werde ich sie hier nicht allzu ausführlich behandeln. Über Anregungen bezüglich weiterer interessanter Systeme seitens der Leser würde ich mich aber freuen.

2007 stellt der sardische Heizungsfabrikant Goldencalor eine besonders energiesparende Heizung mit einem Wärmerückgewinnungsaggregat vor. Durch den ‚Generatore termodinamico condensante’ (GTC) wird der normalerweise im Kamin ausweichende Wärmedampf in den Brennvorgang zurückgeführt. Im Inneren des Aggregates erfolgt eine Zwangskondensation des im Rauch enthaltenen Wasserdampfes, wobei die Abgase gleichzeitig von Schadstoffen befreit werden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Heizanlage kann damit eine Brennstoffeinsparung von 30 % und eine Emissionssenkung von 50 % erzielt werden.

Der Erfinder und Firmenchef Stefano Bandini geht davon aus, daß die Energieausbeute sogar um mehr als 100 % gesteigert werden kann Das innovative und patentierte Konzept wird von der Landesregierung in Cagliari mit einem Zuschuss von 2 Mio. € unterstützt, womit der Prototypenbau und die Einrichtung einer neuen Fabrik in der Industriezone Macchiareddu finanziert werden. Beim Update 2012 ist das Unternehmen leider nicht mehr zu finden.

Die 2007 gegründete Initiative One Earth Designs mit Standorten in Hong Kong und Cambridge nutzt 2010 eine neue Technologie zur Entwicklung von wärmender HeatSource Kleidung für Nomaden im Himalaja. Das innovative Produkt erfasst während des Gebrauchs überschüssige Körperwärme, und verteilt diese bei Bedarf wieder, so daß die Anwender auch in extremer Kälte mehr Zeit für das Sammeln von Nahrung oder das Treiben ihrer Herden haben. In die traditionellen Himalaya-Textilien sind Kapseln mit Phasenwechselmaterialien eingebettet, welche die Leute warm halten und eine Alternative zur Verbrennung schmutziger Energieträger bieten.

Weitere Alternativen zu herkömmlichen Technologien sind beispielsweise Infrarot-Heizungen, die es bereits in unterschiedlicher Art auf dem Markt gibt, auch wenn sie noch nicht sehr bekannt sind.

Moderne Infrarot-Systeme, beispielsweise von der Heraeus Noblelight GmbH, kommen als Wärmequellen in industriellen Einrichtungen zum Einsatz, wo sie beispielsweise bei Gaskraftwerken und Gasverdichtungsstationen das Vereisen der Filter in der kalten Jahreszeit verhindern oder Waggons mit vereisten Schüttgütern wie Erz oder Kohle von außen so beheizen, daß die Klumpen wieder auftauen.

Neuere Strahlungsheizungen gibt es außerdem auf der Basis von Carbon, wobei die Heizfolie auf oder in die Wand eingebracht wird. Die Spannung liegt mit 24 V im Niedervoltbereich, so daß z.B. Photovoltaikstrom direkt eingespeist werden kann. Die imowell GmbH aus Remscheid oder die Welltherm GmbH aus Lüdenscheid bieten eine ganze Palette mit den unterschiedlichsten Optiken an – vom Spiegel bis zu Marmorplatte.

Die Firma M-Therm Comfort-Heating GmbH aus Neuwied kommt 2010 mit einem System auf den Markt, das als vollkommen neue Art des Heizens beschrieben wird. Es besteht aus extrem dünnen Heizbahnen, die sowohl als Fußboden-, Wand- und/oder Deckenheizung eingesetzt werden können. Die installierten Heizbahnen verschwinden dabei unter dem Boden, an der Wand unter der Tapete oder dem Putz, oder unter der Wand- bzw. Bodenfliese. Die Energieeffizienz wird mit über 96 % angegeben. Auch dieses System arbeitet mit 24 V.

Eine zukünftige Heizmethode könnte aus der Entdeckung entstehen, die von Forschern der University of Maryland gemacht worden ist, wie im April 2012 berichtet wird. Kamal Baloch und John Cumings bemerken nämlich ein neues Phänomen, das auftritt, wenn elektrischer Strom durch Kohlenstoff-Nanoröhren geführt wird: Objekte in der Nähe heizen sich auf, während die Nanoröhren selbst kühl bleiben.

Die Forscher führen ihre Versuche mehrfach mit dem Elektronenmikroskop durch, doch das Endergebnis ist immer das gleiche: wenn elektrischer Strom durch ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen geführt wird, wird das Substrat unterhalb davon so heiß, daß es auf seiner Oberfläche Nanoteilchen aus Metall zum Schmelzen bringt. Dabei bleiben das Nanoröhrchen und die Metall-Kontakte, an denen es angebracht ist, während des Prozesses kühl. Während des Experiments wird festgestellt, daß die Elektronen nicht von Atomen, sondern von etwas anderem abprallen. Anstelle der Nanoröhre vibrieren und erwärmen sich die Atome des Silikonnitrid-Substrats. Nach Ansicht der Wissenschaftler schaffen die Elektronen der Nanoröhre aufgrund des Stroms ein elektrisches Feld, auf das die Atome des Substrats reagieren. Dem Phänomen wird von den Forschern der Name Remote Joule Heating gegeben. Nähere Kenntnisse über dieses interessante Phänomen könnten zur Entwicklung von Computer-Prozessoren führen, die sich nicht überhitzen – oder eben zu neuartigen Heizungen.

WÄrmespeicherung

Siehe unter Energiespeichern: Thermische Energiespeicherung.

Neuartige KÜhlsysteme

In dieser Sparte begegnet uns gleich zu Beginn ein bekannter, wenn auch inzwischen umstrittener Name: Albert Einstein. Denn neben seinen kerntechnischen Arbeiten, seiner zunehmend widersprochenen Relativitätstheorie, seinem Patent für ein militärisches Torpedo u.v.m. beschäftigt er sich ab 1926 auch mit der Erfindung eines Kühlschranks, den er sich gemeinsam mit seinem ehemaligen Studenten Leó Szilárd im Jahr 1930 patentieren läßt (US-Nr 1.781.541). Insgesamt sollen die beiden in sechs verschiedenen Ländern an die 45 separate Patente angemeldet haben. Fachleuten zufolge handelt es sich allerdings nur um eine alternative Gestaltung der ursprünglichen 1922 gemachten Innovation der schwedischen Erfinder Baltzar von Platen und Carl Munters.

Der (trotzdem) sogenannte Einstein-Kühlschrank ist eine Absorptionskältemaschine, die keine beweglichen Teile hat, bei konstantem Druck arbeitet und zu ihrem Betrieb nur eine Wärmequelle erfordert. Die Funktionsweise wird im Netz an mehreren Stellen ausführlich beschrieben, so daß ich dies hier nicht wiederholen muß. Das Design wird teilweise bei den ersten Haushaltskühlgeräten verwendet, wenn auch nicht dem Einstein-Modell entsprechend, aber als in den 1950er Jahren effizientere Kompressoren populär werden, wird die Technologie aufgegeben.

Doch auch im vorliegenden Fall gelingt es schnell, weitere Vorläufer zu finden, die nur von gut vermarkteten Namen in den Hintergrund gedrängt worden sind. Der französische Ingenieur Ferdinand Carré produziert schon 1859 erstmals künstliches Eis, indem er Wasser durch schnelle Verdunstung von kondensiertem Ammoniak zum Gefrieren bringt. Vier seiner Ammoniakabsorptionskältemaschinen finden inmitten der Wirren des amerikanischen Bürgerkriegs ihren Weg in die Südstaaten der USA, wo die Eismaschinen großen Eindruck machen. Ab 1862 wird nun auch in den USA künstliches Eis hergestellt. Ein weiterer Typ von Eismaschinen wird in den 1870er Jahren in Deutschland von Carl von Linde entwickelt, die Kompressionskältemaschine, die seitdem – wenn auch stetig optimiert und verkleinert – weltweit in Millionen Stückzahlen hergestellt wird.

Sehr bekannt wird ein Kühlschrank namens Icy Ball, der klein genug ist, um an einem Griff transportiert zu werden. Diese Technik, die ebenfalls auf der Wärmeabsorption von Ammoniak basiert, wird durch ein 1927 von David Forbes Keith aus dem kanadischen Toronto beantragtes und Ende 1929 erteiltes Patent verbreitet. Auch dieses Modell hat keine beweglichen Teile, arbeitet allerdings nicht ununterbrochen, sondern muß manuell betrieben werden. Ein etwas weiter entwickeltes Patent wird Anfang 1930 von Russell T. Smith, Mitarbeiter der Crosley Radio Corp., beantragt und 1931 erteilt.

Das Gerät besteht aus zwei Metallkugeln, einer heißen (warmen) Kugel mit Wasser, und einer kalten Kugel mit flüssigem Ammoniak. Die Kugeln sind durch ein umgekehrtes U-Rohr verbunden, so daß sich das Ammoniakgas in beiden Richtungen bewegen kann. Dabei wird die Wärme mit der Hilfe eines Wasser/Ammoniak-Gemischs als Kältemittel aus der einen in die andere Kugel transportiert werden. Die kalte Kugel hat eine Öffnung, die als Gefrierfach bezeichnet werden könnte, denn in ihr läßt sich eine Eiswürfelschale plazieren.

Der Crosley IcyBall wird zwischen 1929 und 1938 in Serie produziert und verkauft sich schon im ersten Jahr 20.000 mal. Der Preis beträgt 80 $, und etwas später 85 $, was für die damaligen Verhältnisse recht teuer ist.

Im Netz gibt es inzwischen sogar eine kurze Selbstbauanleitung von Larry Hall, die ich hier gerne verlinke. Über ein ähnliches Produkt, das aber explizit mit Solarenergie betrieben wurde, berichte ich im Kapitelteil solare Kühlsysteme (s.d.).

Unter den vielen bemerkenswerten Kurzvorträgen des TEDTalk, einem neuen und sehr erfolgreichen Medienformat (im Jahr 2012 habe ich in Berlin bei Google selbst über das Buch der Synergie referiert, was man im Netz auch ansehen kann), beschäftigt sich 2007 ein Vortrag mit neuen Kühlsystemen.

Adam Grosser, ein sogenannter ‚venture capitalist’ und Partner der Foundation Capital, spricht über sein Projekt, bei dem er einen Kühler entwickelt und baut, der ohne Elektrizität funktioniert und eine lebensnotwendige Verbesserung für Dörfer und Kliniken in Ländern der Dritten Welt darstellt.

Funktionieren würde das neue und sehr kleine Kühlaggregat durch die Anpassungen und Modernisierung alter Technologien. Grosser, der mit der Universität Stanford zusammenarbeitet, sagt dazu ‚intermittierende Absorption’ – und daß man bereits verschiedene ungiftige Kühlmittel gefunden habe, die einen geringen Dampfdruck aufweisen und statt des Ammoniaks einsetzbar sind. Der Mini-Kühler wird 30 min. lang über einem Lagerfeuer aufgehängt und kann anschließend dazu verwendet werden, in einer 30°C warmen Umgebung rund 12 l Wasser 24 Stunden lang auf eine Temperatur 3°C über dem Gefrierpunkt abzukühlen. Der gezeigte, bereits 5. Prototyp, hat ein Gewicht von rund 2,5 kg, sieht aus wie eine Thermoskanne mit Henkel und soll 40 $ - 50 $ kosten. In Großserie gebaut könnte sich der Preis sogar auf nur 25 $ drücken lassen. Ich bin nun sehr gespannt darauf, ob und wann sich das Konzept tatsächlich durchsetzt.

2008 arbeiten auch Wissenschaftler der Universität Oxford um Malcolm McCulloch daran, die alte Technologie wiederzubeleben, da ein Kühlschrank, der ohne Strom und Wartung auskommt, für viele Länder der Erde wirklich ein Segen wäre. Im Rahmen ihres 3-Jahres-Projektes sollen die Prototypen robusterer Geräte entwickelt werden, die auch eine mindestens vierfache Effizienz gegenüber ihren Vorläufern aufweisen.

Diese Übersicht neuerer Entwicklungen auf dem Sektor der alternativen Kühlsysteme beginnt mit einer Pressemeldung vom September 2005: Die Marketing- und Produktentwicklungsfirma dissigno aus San Francisco gibt bekannt, mit einem Nivalis genannten System eine umsetzbare Anwendung des Wirbelrohrs nach Ranque & Hilsch entwickelt zu haben, das speziell in den Entwicklungsländern für Kälte sorgen soll. Über die Grundlagen dieser genialen Technologie, die erstmals 1933 patentiert wird, berichte ich ausführlich im Kapitel Wirbelströmung III von Teil D (s.d.). Die Nivalis Ice Machine ist eine innovative, mit Druckluft betriebene Kühlanlage mit nur wenigen beweglichen Teilen, einfacher Wartung und ohne negative Auswirkungen auf die Umwelt. Leider scheint dissigno das Projekt später zugunsten anderer Entwicklungen (z.B. das pedalbetrieben Laden von tragbaren LED-Leuchten u.ä.m.) aufgegeben zu haben.

Zumindest einen ähnlichen Namen trägt eine Erfindung des russischen Physikers Alexander Leontiev, Professor an der Bauman Moscow State Technical University und Besitzer von weltweit mehr als 1.500 Patenten. Bei Leontiev’s pipe handelt es sich um zwei koaxiale (d.h. ineinander steckende) und mit Gas gefüllte Rohre, in denen sich dieses mit extrem unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt. Daraus entsteht eine Temperaturdifferenz, die für Kühl/Heiz-Einheiten ideal ist. Weitere Details konnte ich bislang noch nicht herausfinden - über entsprechende Informationen seitens der Leserschaft wäre ich daher sehr dankbar.

China Daily berichtet im August 2007, daß Wissenschaftler um Jiang Yi an der Tsinghua University eine neue saubere Energiequelle entdeckt haben: trockene Luft. Der Durchbruch könnte auf Teile des nördlichen und westlichen China mit ihrem sehr trockenen Klima äußerst positive Auswirkungen haben, da sie es möglich macht, anstelle von Strom einfach trockene Luft zu verwenden, um Wasser und die Raumluft abzukühlen. Die Prämisse klingt einfach genug: trockene Luft nimmt Feuchtigkeit auf und bewirkt damit, daß die Lufttemperatur absinkt. Erste Tests in einigen großen Gebäuden verlaufen erfolgreich und können die Raumtemperatur zwischen 25°C und 28°C halten. Der Prozeß erzeugt zwar keine Elektrizität, bietet aber eine Möglichkeit, die Stromabhängigkeit zu reduzieren.

Die Idee ist allerdings so neu nicht, denn das Kühlen mit Trockenmitteln (das auch Verdunstungskühlung genannt wird) wird schon seit langem praktiziert. Eine der Firmen, die entsprechende Geräte entwickeln ist die NovelAire Technologies aus Baton Rouge, Louisiana. Deren NovelAire 30 z.B. ist ein hocheffizientes Trockenmittel-Kühlsystem, das nach dem patentierten Verfahren der indirekten Verdunstungskühlung funktioniert. Ein weiteres Produkt dieser Firma sind die sogenannten Energy Conservation Wheels (ECW), robuste Dreh-Gegenstrom-Luft/Luft-Wärmetauscher für die Industrie, auf die ich hier aber nicht weiter eingehen werde.

Eine überaus interessante Entwicklung bahnt sich auch im Bereich der Magnetkühlung an. Im August 2008 meldet das Risø National Laboratory im dänischen Roskilde einen Durchbruch, wo Forschungsleiter Nini Pryds und sein Team seit einiger Zeit daran arbeiten, ein energieeffizientes, umweltfreundliches und geräuschlos funktionierendes Kühlgerät zu entwickeln. Im Gegensatz zu konventionellen Geräten mit einer Temperaturspanne zwischen – 20°C und + 20°C erreichen die Dänen zwar erst eine Bandbreite von 8,7°C (d.h., daß in einem Raum mit 20°C Umgebungstemperatur auf gut 11°C heruntergekühlt werden kann), betrachten dies jedoch als wichtigen Schritt in die richtige Richtung. Die Forschungsgruppe arbeitet mit dem großen Kompressorhersteller Danfoss zusammen, um einen kommerziellen Prototypen zu bauen, der bis 2010 fertig sein sollte. Zum Einsatz kommen leicht in Massenproduktion herstellbare Platten aus einem keramischen Material, das Lanthan, Strontium, Kalzium und Mangan enthält.

Das Projekt MagCool wird vom dänischen Rat für Strategische Forschungsprogramme der Kommission für Energie und Umwelt mit 14 Mio. DKK (~ 2,55 Mio. $) gefördert, und weitere 7 Mio. DKK werden von den drei Projektpartnern Risø National Laboratory, Danfoss und Sintex beigesteuert, um einen Prototyp zu entwickeln.

Im August 2011 wird am Risø das Design eines kontinuierlich rotierenden aktiven magnetischen Regenerators (AMR) vorgestellt, der das Herzstück des geplanten magnetischen Kühlgeräts bilden wird. Er besteht aus Stapeln länglicher Platten des Perowskit-Oxid-Materials La_0.67Ca_0.33−xSr_xMn_1.05O₃ (das schreibt sich wirklich so!), und das Design soll nun iterativ durch eine 3D-Finite-Element-Modellierung magnetostatisch optimiert werden.

Bei der magnetischen Kühlung werden Materialien genutzt, die sich erhitzen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, und die sich abkühlen, wenn dieses wieder abgeschaltet wird, wobei sie ihrer Umgebung Hitze entziehen. Im Bereich kryogener Temperaturen werden magnetische Kühlelemente in Labors schon seit Jahren eingesetzt, und im Jahr 1995 präsentiert Karl Gschneider vom Ames Laboratory in Iowa den ersten Magnetkühlungs-Kühlschrank, der seinen Inhalt bei Raumtemperatur kühlen kann, wobei das Metall Gadolinium zum Einsatz kommt. Zusammen mit der Aeronautics Corporation of America wird an einer Umsetzung gearbeitet, die mit 1,5 Tesla-Magneten Kühlbereiche von 25°C bei 90 W Leistung erzielen soll.

Seither erforscht die Wissenschaft diverse weitere Materialien, die bei Raumtemperatur und mit einer Wasserkühlung funktionieren, denn die Vorteile sind enorm. Magnetkühlungs-Kühlschränke wären wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Modelle, würden nur 40 % der Energie heutiger Geräte verbrauchen und auch keine Kältemittel benötigen. Andrew Rowe und seine Kollegen an der University of Victoria in Kanada zeigen beispielsweise ein 15 W System mit 30°C Temperaturbandbreite, während Chubu Electric und Toshiba in Japan an einem 0,8 Tesla-Magneten mit einer Kapazität von 10°C arbeiten.

Mit dem auch magnetokalorischer Effekt genannten Phänomen beschäftigt sich im Jahr 2010 auch ein Team um den Physiker Sujoy Roy vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien, nachdem dieser 2008 von entsprechenden Arbeiten an der Southern Illinois University erfahren hat, wo eine Nickel-Mangan-Gallium-Legierung mit Zusatz von Kupfer verwendet wurde, die schon bei Raumtemperatur einen riesigen magnetokalorischen Effekt zeigt. Nun untersucht Roy mit Hilfe der Advanced Light Source des Berkeley Lab, die helleres Licht als das der Sonne erzeugt, wie sich die Elemente der Legierung verändern, wenn sie dem magnetokalorischen Effekt ausgesetzt sind. Anschließend sollen Legierungen mit zugesetztem Lanthanid, Eisen und Silizium analysiert werden. Einmal richtig verstanden und genutzt, könnte die magnetokalorische Wirkung nicht nur in Kühlschränken verwendet werden, sondern auch in Anwendungen in Laptops und Fahrzeug-Klimaanlagen finden.

Unter dem Titel ‚A review of magnetic refrigerator and heat pump prototypes built before the year 2010’ wird von Forschern der Xi’an Jiaotong University und der University of Applied Sciences of Western Switzerland eine fachkompetente Übersicht veröffentlicht, die teilweise auch im Netz einsehbar ist. Dieser zufolge wurde die erste magnetische Raumtemperatur-Wärmepumpe bereits im Jahr 1976 von einem G. V. Brown entworfen. Für eine tiefergehende Beschäftigung mit dem Thema ist die genannte Veröffentlichung unabdingbar.

Doch neben der magnetischen gibt es auch eine akustische Kühlung – so überraschend dies auch klingen mag. Schon 2003 wird über Forscher an der Penn State University um Prof. Steven Garrett berichtet, der seit Jahrzehnten damit beschäftigt ist einen Kühlschrank zu bauen, der seinen Inhalt mittels Schallwellen wohltemperiert hält. Das Team wird dabei von dem Speiseeishersteller Ben & Jerrys und dem Office of Naval Research der US-Marine finanziert. Eines seiner frühen Modelle fliegt im Jahr 1992 sogar auf dem Space Shuttle mit.

Ich berichte darüber ausführlich unter dem Stichwort ‚Wärme’ im Kapitel Micro Energy Harvesting (s.d.).

Mit der Technik, Klimaanlagen mittels Schallwellen zu betreiben, beschäftigt sich auch ein Forscherteam um Scott Elrod am Palo Alto Research Center (PARC), das mechanische Kompressoren in Kühlschränken und Klimaanlagen durch thermoakustische Kompressoren ersetzen möchte. Diese komprimieren oder expandieren Gase mit Schallwellen hoher Intensität, wobei die Verdichtung von Gasen Wärme erzeugt, während ihre Expansion Dinge abkühlt. Mechanische Kompressoren arbeiten zwar nach dem gleichen Prinzip, erreichen typischerweise jedoch nur rund 12 % des theoretischen Maximums, während thermoakustische Kompressoren den Wirkungsgrad aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Schallwellen verdreifachen können und mehr.

Thermoakustische Kompressoren werden bereits in Laboren eingesetzt, um atmosphärische Gase wie Stickstoff in extrem kalte Flüssigkeiten umzuwandeln, waren bislang aber weder besonders effizient noch wirtschaftlich genug, um beispielsweise Bürogebäude zu kühlen. PARCs Durchbruch von 2010 liegt daher in der Ausarbeitung eines thermoakustischen Geräts für Umgebungstemperaturen. Das Forschungsinstitut hat bereits eine computergestützte Simulation und einen grundlegenden Prototypen erstellt, zwei weitere Prototypen sollen in naher Zukunft die Simulation validieren. Bei der Umsetzung werden Gase in ein Rohr geleitet, das mit einem Membranen-Geflecht gefüllt ist, dem Regenerator. Wenn nun eine Schallwelle durch diesen Regenerator läuft, beginnt sich ein Niederdruck/Niedertemperatur – Hochdruck/Hochtemperatur-Verlauf zu bilden. Dabei wird das eine Ende des Rohres heiß, während sich das andere ankühlt. Wärmetauscher können dann verwendet werden, um die Wärme- bzw. Kühlleistung zu extrahieren und zu nutzen.

Wie einige andere grüne Projekte des PARC kann auch der thermoakustische Koppler auf die Entwicklung von Druckern und Kopierern zurückverfolgt werden, da das PARC früher das interne Labor von Xerox war, bevor es im Jahr 2002 als eigenständige Tochtergesellschaft ausgegliedert wurde. Und hier wurde die Nutzung von Schallwellen zur Fokussierung von Tintenstrahl-Tröpfchen untersucht, womit ein Druck in Fotoqualität erzielt werden sollte. Trotz vielversprechender Ergebnisse wurde die Technologie von Xerox jedoch nie vermarktet.

Im Februar 2008 berichtet die Hindu Times von dem Erfinder M. B. Lal, der die Selbstbauanleitung für eine einfache, nicht-patentierte Erfindung namens Snowbreeze veröffentlicht, die sich leicht aus einem Eimer, etwas Sperrholz, Alufolie und einem 23 W Ventilator zusammenbauen läßt. Alles, was für das Funktionieren dann noch benötigt wird, ist eine Menge Eis, mit welcher der Eimer befüllt wird. Die Erfindung soll das Potential haben, den Energieverbrauch von Klimaanlagen um mindestens die Hälfte zu senken.

Im März 2008 präsentieren Dan Schlitz und Vishal Singhal von der Startup-Firma Thorrn Micro Technologies Inc. aus Redwood City, Kalifornien, einen Festkörper-Lüfter (Solid-State Fan), der den Höhepunkt von sechs Jahren Forschung darstellt, mit der die beiden begonnen haben, als sie vom NSF geförderte Studenten an der Purdue University waren. der RSD5 soll als geräuschloser, ultra-dünner und wartungsarmer Kühler für Laptops und andere elektronische Geräte zum Einsatz kommen, da er eine nur sehr geringe Leistung erfordert. Bei dem winzigen Lüfter, der mit Unterstützung der NSF entwickelt wurde, soll es sich um den gegenwärtig stärksten und energieeffizienten seiner Größe handeln. Er erzeugt das Dreifache der Strömungsgeschwindigkeit eines typischen kleinen mechanischen Ventilators und hat dabei nur ein Viertel dessen Größe.

Der RSD5 beinhaltet eine Reihe von aktiven Drähten, die ein Plasma im Mikro-Maßstab erzeugen (ein ionenreiches Gas, das freie Elektronen hat, die elektrischen Strom leiten). Die Drähte liegen dicht auf ungeladenen leitenden Platten, auf denen halb-zylindrische Formen die Drähte teilweise umhüllen. Innerhalb des entstehenden starken elektrischen Feldes schieben die Ionen neutrale Luftmoleküle von dem Draht zu der Platte, was einen Wind erzeugt, der als Koronawind bekannt ist. Im vorliegenden Falls spricht das Unternehmen von einem ‚Microscale Ion Driven Air Flow’.

Mit dem Durchbruch der profilierten Oberfläche gelingt es den Forschern, die Entladungen im Mikro-Maßstab zu steuern, um einen maximalen Luftstrom zu erzielen, ohne das Risiko, dabei Funken oder Lichtbögen zu erzeugen. Als Ergebnis liefert das Gerät eine Brise von 2,4 m/s, während größere, mechanische Ventilatoren nur 0,7 m/s bis 1,7 m/s erreichen. Da die konturierte Plattform gleichzeitig ein Teil des Gerätekühlkörpers ist, verringert dies die Masse des Ganzen und erhöht sogar die Effektivität des Luftstroms. Mit der neuen Technologie könnte ein 25 W Chip mit einem weniger 1 cm³ großen Festkörper-Lüfter gekühlt werden, und denkbar ist, diesen eines Tages direkt in das Silizium zu integrieren, um selbstkühlende Chips herzustellen. Es sollen schon Tests mit Herstellern laufen, doch man hört später nichts mehr, weder von der Erfindung, noch von der Firma.

Die im Grunde recht einfache Idee der Ionen-Kühlung war erstmals 2006 von Prof. Alexander Mamishev vorgestellt worden, der an der Universität von Washington tätig ist. Die effiziente und geräuschlose Technologie wird 2008 von der in San Jose, Kalifornien, ansässigen und 1990 gegründeten Elektronik-Firma Tessera Inc. lizenziert und gemeinsam mit Forschern der Universität Laptop-tauglich gemacht. Das Grundprinzip wird optimiert und an kleine Baugrößen angepaßt, und schon bald kann nachgewiesen werden, daß die Ionen-Kühlung 30 % mehr Wärme abführt als ein Ventilator - bei der Hälfte des Stromverbrauchs.

Das neue Kühlsystem wird an einer Lüftungsöffnung im Innern des Laptops plaziert, wo die Leitungen eines Kühlkreislaufs ankommen, mit dem die Hitze des Prozessors mittels einer verdampfenden Flüssigkeit abgeführt wird. Der Luftzug der Ionen-Kühlung nimmt die Wärme des Dampfes auf, der sich daraufhin für den nächsten Zyklus wieder verflüssigt. Eine besondere Herausforderung ist, einen kompakten und zugleich leistungsstarken Spannungswandler zu finden, da eine Ionisierung zwischen den Elektroden erst bei einer Betriebsspannung von 2.000 V einsetzt. Es gelingt, aus einer Kaltkathodenlampe (Neonröhre) einen nur 3 cm³ großen Spannungswandler zu konstruieren. Nun muß noch die Haltbarkeit der Elektroden optimiert werden.

Eine weitere Firma, die die an einer Ionen-Kühlung für Elektronikgeräte arbeitet, ist das kalifornische Start-up Ventiva von Suresh Garimella, der mit seinem Team an der Purdue University ein ähnliches System entwickelt hat, das er mit seiner in Santa Clara, Kalifornien, stationierten Firma baldigst zur Marktreife bringen will. Tatsächlich tritt das Unternehmen 2012 als Entwickler einer ‚Glühbirne’ hervor, in der statt eines Wolframfadens einige LEDs für das Licht sorgen. Und diese wird mit der Ionic Cooling Engine (ICE) gekühlt, die bis zu 30 W in Form von Wärme entfernen kann.

Im Juli 2008 verlautet, daß die Firma Honolulu Seawater Air Conditioning LCC (HSWAC) 10,75 Mio. $ Investitionsmittel erhält, um die lokale Abhängigkeit von importiertem Öl zur Stromerzeugung zu reduzieren. Eine Pumpstation soll über eine 4,5 km lange Pipeline aus Polyethylen 6°C kaltes Wasser aus 500 m Tiefe ansaugen. In einem großen Wärmetauscher wird das Salzwasser dann einen Süßwasserkreislauf kühlen, der die Bürohäuser versorgt, wo sich das dann 7°C kalte Wasser in Leitungen in Wänden und Zimmerdecken verzweigt. Das um rund 5°C erwärmte Meerwasser wird über eine zweite Pipeline in den Pazifik zurückgeleitet. Die Energieersparnis der Meerwasserkühlung gegenüber einer strombetriebenen Kühlung soll etwa 75 % betragen. Ich berichte darüber ausführlich im Kapitel Temperaturgradient (OTEC).

Im August 2008 berichtet sogar die Mainstream-Presse über eine Entwicklung der Pennsylvania State University, wo Prof. Qiming Zhang und seine Kollegen eine Substanz entdeckt haben, die sich abkühlt, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Das Material nutzt dabei den sogenannten elektrokalorischen Effekt: Eine Veränderung der elektrischen Feldstärke verändert auch die Anordnung der Atome in dem Kunststoff, was wiederum die Temperatur reduziert oder erhöht. Anders ausgedrückt: Bei den Polarpolymeren gehen die Moleküle einem unorganisierten in einen organisierten Zustand über, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, wobei das Material Wärme an die Außenwelt abgibt und selbst kälter wird. Es gelingt den Wissenschaftlern, mit ihrer nur 0,4 - 2,0 Mikrometer dünnen Folie die Temperatur um etwa 12°C abzusenken, und dies bei einer Ausgangstemperatur von 55°C.

Wird der elektrische Strom abgeschaltet, kommt es zum gegenteiligen Effekt und das Material nimmt wieder Wärme auf. Die genutzten Polymere sind flexibel und können sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden. Das Material kann einen Raum ebenso wie Elektronikchips kühlen, aber auch Feuerwehranzüge oder die Kleidung von Sportlern. Allerdings muß bis dahin noch eine signifikante Hürde überwunden werden, denn im Moment werden noch mindestens 120 V, um die Atomanordnung in dem Polymer zu verändern, während die Technik idealerweise in einem Spannungsbereich von 10 V, 20 V oder weniger arbeiten sollte. Da das U.S. Department of Energy die Arbeit unterstützt, kann davon ausgegangen werden, daß dieses Ziel eines Tages auch erreicht wird.

Zhang und seine Kollegen versuchen nun, bessere elektrokalorische Polymere zu entwerfen und planen dabei auch Polymere zu studieren, die aus Flüssigkristallen gemacht sind, wie sie in Flachbildschirmen verwendet werden. Flüssigkristalle enthalten nämlich stabförmige Moleküle, die sich in einem elektrischen Feld ausrichten und wieder ihre ursprüngliche Anordnung einnehmen, wenn das Feld entfernt wird. Diese Eigenschaft könnte ausgenutzt werden um Materialien zu entwickeln, die in Reaktion auf elektrische Felder große Mengen von Wärme absorbieren und wieder freisetzen können.

Forscher der Cambridge University unter der Leitung von Neil Mathur hatten zwar schon 2006 Keramikmaterialien beschrieben, die ebenfalls den elektrokalorischen Effekt aufweisen, der bei diesen aber erst bei Temperaturen um 220°C auftritt. Die Arbeitstemperatur von Computerchips liegt dagegen bei rund 85°C, was den neuen Kunststoff zu einem wesentlich besser geeigneten Kandidaten macht. Außerdem soll er sieben Mal mehr Hitze absorbieren als das Keramikmaterial, was an der flexibleren Anordnung der Atome in Kunststoffen liegt.

Die Small Spacecraft Divison der NASA präsentiert im August 2008 ebenfalls ein Kunststoffmaterial, das die Temperaturen kleiner Raumflugkörper dadurch reguliert, daß es zwischen einem das Licht reflektierenden und einem absorbierenden Zustand wechseln kann. Die von Prasanna Chandrasekhar und seiner Arbeitsgruppe gemachte Entwicklung, an der seit 2003 gearbeitet wird (obwohl es schon ein Anfang 1999 eingereichtes, aber erst im Oktober 2009 erteiltes Patent EP 1058861 B1 namens ‚electrochromic display device’ gibt, das die Ashwin-Ushas Corp. Inc. aus Freehold, New Jersey, hält, vermutlich Chandrasekhars eigene Firma), läuft unter dem Namen ‚thin-film variable emittance electrochromic device’ und ist ein weniger als ein Hundertstel Zoll dünnes und flexibles ‚Sandwich’, das sich wie Kunststoff anfühlt und seine Farbe ändert, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Mikro-Raumsonden könnten damit umhüllt werden, damit sich ihre Farbe je nach Einwirkung der Sonneneinstrahlung von hell bis dunkel anpassen kann. Der Farbwechsel umfaßt den Infrarotbereich ebenso wie das sichtbare Farbspektrum. Die NASA will ihre ersten Prototypen ihrer Mikro-Raumsonden 2013 einsatzfähig haben; sie sind von der Größe einer Geburtstagstorte.

Über diverse ähnliche elektrochromatische Technologien berichte ich im Kapitel zur solaren Architektur, da sich z.B. elektrochromatisch kühlende Fenster dort zunehmender Beliebtheit erfreuen.

Im September 2008 stellen auf der CopenMind exhibition in Kopenhagen drei Universitäten aus Japan ihre neuesten Forschungsergebnisse im Bereich der ‚clean technologies’ vor, die Tokyo University of Science, die Tokai University und das Tokyo Institute of Technology. Unter der Vielzahl von Entwicklungen befinden sich auch zwei Kühltechnologien. So arbeitet Prof. Suzuki von der Tokyo University of Science an der nächsten Generation von Kühl-Technologie mittels Mikroblasen, um die Wärme elektronischer Geräte abzuführen, während sein Kollege Prof. Tsujimoto an einem Kühlsystem arbeitet, das auf Wasser-Sprühnebelapparaten basiert.

Ausgesprochen zukunftsträchtig hört sich dagegen eine Entwicklung von Prof. Iida und seinem Team der Tokyo University of Science an, bei der es um Silizium-Schlamm geht, der in der Elektronik-Industrie in großen Mengen als Abfall anfällt. Bei der Wafer-Herstellung endet etwa 60 % des anfänglichen Siliziums als Schlamm, der ebenso bei der Solarzellenherstellung entsteht. Die Wissenschaftler entwickeln daher eine Technologie, die den Silizium-Schlamm in Magnesiumsilicid (Mg₂Si) umwandelt, ein Material, das Abwärme aufnimmt und daraus Strom produziert. Da mir dieses Material bislang nur bei Arbeiten mit Silanen begegnet ist, aber nicht im Zusammenhang mit der Thermoelektrizität, bin ich für weitere Informationen darüber dankbar.

Artica ist eine natürliche Kühlung, Lüftung und Wärmerückgewinnung, die weniger als 10 % der Energie eines herkömmlichen Systems und keinerlei Kältemittel verwendet. Der Beitrag des Feel The Planet Earth 2008 Designwettbewerbs hat im Kern eine Thermische Batterie als Mittel zur Energiespeicherung, die aus einem Phasenänderungsmaterial (Phase Change Material, PCM) besteht und pro Kilogramm die gleiche Menge latente Energie speichert wie 240 kg Beton. Die Funktion ist einfach: Selbst im Hochsommer gibt es in gemäßigten Klimazonen eine nächtliche Temperaturabsenkung um 10°C bis 15°C. Das System nutzt diese ‚freie Kühlung’ um den Energieverbrauch der sommerlichen Klimatisierung um 60 % - 90 % zu senken. Nachts wird durch einen Kanal kalte Luft von außen angesaugt und verwendet, um das Material im Inneren des Gerätes einzufrieren – während Tagsüber die warme Luft in den Innenräumen über dem gefrorenen Material zirkuliert und dabei abkühlt. Bei höheren thermischen Belastungen oder in wärmeren Klimazonen kann ein ‚Booster’-System verwendet werden, um die Leistung zu verbessern. Artica funktioniert auch im Winter, um Wärme aus der verbrauchten Luft des Gebäudes zurückzugewinnen, auf frische Luft zu übertragen und die Heizkosten zu reduzieren. Das ganze Jahr über überwacht das Artica System die Luftqualität in Innenräumen und sorgt für die Zufuhr von frischer Luft. Filter entfernen Staub, Schadstoffe und Allergene aus der Luft.

Entstanden ist Artica als Kooperationsprojekt zwischen dem Royal College of Art und dem Imperial College London. Schnell wird auch eine Artica Technologies Ltd. gegründet, um die zum Patent angemeldete Technologie zu vermarkten. Unterstützung kommt dabei vom The Carbon Connections Development Fund und der Audi ‚Design for Life’-Stiftung. Erste Prototypen werden erfolgreich getestet, diverse neue Designs entwickelt und die Markteinführung ist für Oktober 2009 geplant, wofür allerdings noch die entsprechenden Mittel gesucht werden. Das scheint zwar nicht geklappt zu haben, aber noch im Winter 2009 heimst das Entwicklerteam drei Preise ein.

Mitte 2009 erscheint auf dem Markt eine Innovation mit beträchtlichem Nutzwert: Das mit 25 € recht preiswerte Coolpad von hama kühlt Laptops nämlich mit einem speziellen Granulat. Die Matte absorbiert die Wärme des Notebooks bis zu acht Stunden und regeneriert sich bei einer Umgebungstemperatur unter 25°C von ganz alleine, ohne Strom oder lästige Kabelverbindungen. Leider habe ich bislang nicht herausfinden können, um was für ein Granulat es sich dabei handelt.

Das Jahr 2010 beginnt mit einer Meldung der Sydney University of Technology, wo die Physikprofessoren Geoff Smith und Angus Gentle eine auf Nanopartikeln basierende Wärmepumpe als Ersatz für energieintensive Klimaanlagen vorgeschlagen. Die Wissenschaftler stellen eine Beschichtung her, die als effiziente Wärmepumpe genutzt werden kann und auf einem Phänomen basiert, das als Nachthimmel-Kühlung bekannt ist, und bei der Energie, die während des Tages von Oberflächen aufgenommen wird, nachts wieder zurück in die Atmosphäre abgestrahlt wird.

Die neue Erfindung nutzt die Tatsache, daß bestimmte Wellenlängen der von der Erde emittierten Strahlung weniger stark von der Atmosphäre absorbiert werden. Diese Wellenlängen - zwischen 7,9 mm und 13 mm - haben eher die Chance, zurück in den Raum zu gelangen als andere. Man findet heraus, daß eine Mischung aus Siliziumcarbid- und Silizium-Dioxid-Nanopartikeln Wärmestrahlung mit genau den Wellenlängen emittieren, die den größten Nutzen aus diesem ‚atmosphärischen Fenster’ ziehen. Eine Oberfläche, die mit diesen 50 Nanometer großen Teilchen beschichtet ist, wird bis zu 15°C kälter als die Umgebungstemperatur. Die Nanopartikel-Beschichtung könnte daher verwendet werden, um eine Art umgekehrter Solarkollektoren herzustellen.

Luft oder Wasser würde unter einer entsprechend beschichteten Platte durch Kanäle fließen - doch anstatt Strahlung zu Heizzwecken zu absorbieren, würde hier Strahlung emittieret und die Luft oder das Wasser gekühlt werden, um anschließend zu Klimatisierungszwecken durch das Gebäude gepumpt zu werden. Die Technologie eignet sich auch als Beschichtung von Kühlschränken, insbesondere in abgelegenen, stromnetzfernen Gebieten. Sie würde vor allem in der Nacht funktionieren, manchmal aber auch schon auf der schattigen Seite eines Gebäudes, berichten die Forscher.

Anfang der 1990er Jahre entwickelt der Ingenieur Jürgen Schukey eine nach ihm benannte Wärmekraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad, die auch als Kältemaschine betrieben werden kann. Sie arbeitet nach dem gleichen thermodynamischen Prinzip wie handelsübliche Kühlschränke, kann die Umgebungsluft aber direkt und ohne Kältemittel kühlen. Der Schukey-Motor besteht außerdem aus weniger Bauteilen als eine herkömmliche Klimaanlage, ist leichter, kostengünstiger herstellbar und äußerst wartungsarm.

Das Herz des Motors ist ein raffiniertes Getriebe mit zwei unterschiedlich schnellen Rotoren, welche die Luft in insgesamt acht Kammern abwechselnd zusammenpressen und wieder entspannen. Ähnlich wie bei anderen Systemen wird die Hitze im komprimierten Zustand über einen Wärmetauscher an die Umwelt abgegeben. Beim Entspannen ist die Luft in der Maschine dann kühler als zuvor. Diese gekühlte Luft kann dann z.B. in den Fahrzeuginnenraum abgegeben werden, ohne daß ein zweiter Wärmetauscher benötigt wird.

Da diese Maschinenkonstruktion auch als Wärmepumpe funktioniert, könnte sie aus heißen Abgasen mechanische Energie gewinnen, die sowohl einen Generator antreibt, der beispielsweise die Batterie eines Hybridautos auflädt, als auch eine zweite Schukey-Maschine, die als Klimaanlage Kälte erzeugt. Daß dies möglich ist beweisen BMW und Opel, die Anfang der 1990er Jahre großes Interesse an dem Motor zeigen, 1993 aus der Entwicklung aber wieder ausstiegen und bei konventionellen Lösungen mit Kühlmitteln bleiben, da VDA dem Motor eine schlechte Kühlleistung bescheinigt, daß er zu ineffizient ist und sich auch nicht regeln läßt. Jochen Flasbarth, Präsident des Umweltbundesamts, bezeichnet die Entscheidung als Katastrophe, weil damit wertvolles Know-how, Millionen Forschungsgelder und ein wichtiger Zukunftsmarkt für Umwelttechnologie verspielt worden ist. Das Umweltbundesamt und die Hamburger Firma Thermodyna Maschinen und Anlagen GmbH, die die Rechte am Schukey-Motor hält (EP 0 945 592 A1, beantragt 1998, erteilt 2003), vermuten allerdings ganz andere Gründe für die damalige Entscheidung. So habe es Druck von der Chemieindustrie gegeben, da der Motor kein Arbeitsgas benötigt. Dazu verbraucht der Klima-Motor weniger Antriebsenergie und damit weniger Sprit.

Allerdings muß der Schukey-Motor erst noch beweisen, daß er tatsächlich so robust und effizient ist, wie seine Konstrukteure behaupten. An der Optimierung der Maschine und deren Einsatzmöglichkeiten arbeitet daher als Kooperationspartner auch die Fachhochschule Hannover mit. Das Forschungsprojekt ‚Entwicklung der Schukey-Technologie zur Serienreife’ unter der Leitung von Prof. Ulrich Lüdersen beginnt Anfang 2010 und soll bis April 2013 laufen. Es umfaßt u.a. die Erweiterung des in einem vorgehenden Projekt aufgebauten Prüfstandes zur Vorserienreife. Noch im Laufe des Jahres 2010 sollen dann auch die ersten, großdimensionierten Schukey-Maschinen von Thermodyna zur Nutzung von Abwärme aus BHKWs und solarthermischen Anlagen in den Testbetrieb gehen.

Im Februar 2010 informiert ein Bericht des US-Magazins Science darüber, daß Wasser entgegen bisherigen Meinungen bei verschiedenen Temperaturen einfrieren kann, je nachdem, ob die Oberfläche positiv oder negativ geladen ist. Unter bestimmten Bedingungen kann es sogar einfrieren, während es sich erwärmt. Die überraschenden Ergebnisse sind das Resultat von Versuchen am Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel. Durch das Steuern der positiven oder negativen Oberflächenladung kann die Eisbildung demzufolge wahlweise entweder verstärkt oder unterdrückt werden – was sich für Kühlzwecke sicherlich auf unterschiedlichste Weise ausnutzen läßt.

In der Regel beginnt Wasser zu gefrieren, indem um ein Staubkorn oder eine andere Verunreinigung ein Eiskristall geformt wird. Ohne diesen Kern kann Wasser bis weit unter dem Gefrierpunkt, d.h. bis etwa - 42ºC, flüssig bleiben. Wissenschaftler vermuten schon seit Jahrzehnten, daß elektrische Felder verwendet werden könnten, um das Einfrieren von unterkühltem Wasser auszulösen Da ein Wassermolekül an einem Ende eine leicht positive, und am anderen Ende eine negative Ladung aufweist, können elektrische Felder Wassermoleküle in eine starre Formation bringen, indem sie sie entsprechend der Ladung ausrichten. Frühere Experimente verliefen jedoch unbefriedigend, da die besten Materialien, um eine elektrische Ladung aufrecht zu erhalten, Metalle sind – und man bei ihrer Verwendung nicht exakt feststellen konnte, welche Effekte dem elektrischen Feld und welche dem Metall selbst zuzuschreiben sind.

Anstelle von Metall nutzt das Team um Igor Lubomirsky deshalb ein pyroelektrisches Material, das ein kurzlebiges elektrisches Feld ausbilden kann, wenn es erwärmt oder gekühlt wird. Verwendet werden vier pyroelektrische Kristalle, die im Inneren eines Kupferzylinders angeordnet wurden. Die Bodenflächen von zwei Kristallen wurden mit Chrom beschichtet, um eine elektrische Ladung aufzunehmen, während die anderen beiden Kristalle eine Aluminiumoxidschicht bekamen, um ihre Oberflächen ungeladen zu halten. Die Versuchsanordnung wird in einem feuchten Raum aufgestellt, dessen Thermostat heruntergedreht wird, bis sich auf jedem Kristall Wassertropfen bildet. Anschließend wird das Zimmer weiter abgekühlt, bis das Wasser gefriert. Dabei zeigt sich, daß das Wasser ohne jede Oberflächenladung im Durchschnitt bei - 12,5ºC kristallisiert. Auf der positiv geladenen Oberfläche erstarrt das Wasser dagegen bei moderaten - 7ºC, während sich auf einer negativ geladenen Oberfläche erst bei relativ kalten - 18°C Eis bildet.

Dem Weizmann-Team gelingt es auch, Wasser durch Erhitzen einzufrieren – was eigentlich unlogisch klingt: Auf einer negativ geladenen Oberfläche bleiben Wassertropfen auch bei - 11ºC für bis zu 10 Minuten lang flüssig. Nach Ableiten der negativen Ladung reicht jedoch eine Erwärmung des Raumes auf - 8°C aus, um eine positive Ladung in den pyroelektrischen Kristall zu induzieren und das Wasser einfrieren zu lassen. Obwohl es noch keine konkreten Pläne dafür gibt, den Effekt für Anwendungen wie das Tieftemperatur-Gefrieren (Cryogenic) oder die künstliche Wolkenbildung zu nutzen, meldet das Team bereits ein Patent an.

Ein weiteres verblüffendes Design wird im Mai 2010 publiziert. Es handelt sich um den Bio Robot Refrigerator des russischen Designers Yuriy Dmitriev, den dieser für den Electrolux Design Lab Wettbewerb dieses Jahres konzipiert hat. Der wahrlich gewöhnungsbedürftige Kühlschrank, der an die Wand montiert werden kann, nutzt ein spezielles geruchloses und nicht-klebriges Biopolymer-Gel, welches die Nahrung umschließt und kühlt. Er braucht dafür weder einen Motor noch andere traditionelle Technologien.

Als Kühlmittel fungieren laut Dmitriev im Gel verteilte ‚Bio-Nano-Roboter’, welche zur Konservierung der Lebensmittel das Phänomen der Lumineszenz verwenden, d.h. die Erzeugung von Licht bei kalten Temperaturen. Genau erklären, wie das gehen soll, kann der Designer aber nicht. Er erwähnt nur, daß die Bio-Nano-Roboter Wärme in Form von infraroter Strahlung absorbieren und Licht im sichtbaren Spektrum emittieren (womit auch das sonst übliche Kühlschranklämpchen entfällt). Außerdem schützen sie vor UV-Strahlung, welche die Lebensmittel sonst beschädigen könnte.

Das Beste an diesem Konzept ist jedoch, daß es zur Kühlung keinerlei Energie benötigt, einzig für sein kleines Steuerungsdisplay wird ein wenig davon benötigt. Es bleibt abzuwarten, ob der türlose Bio Robot Kühlschrank wirklich irgendwann einmal zur Realität wird, was zu wünschen wäre – da moderne Kühlschränke gegenwärtig etwa 8 % der im durchschnittlichen Haushalt anfallenden Energie verbrauchen, die dann eingespart werden würde.

Ein weiteres Design, das bei dem Electrolux –Wettbewerb 2010 eingereicht wird, stammt von dem französischen Designer Nicolas Hubert und heißt External Refrigerator. Wie schon der Name sagt, soll das Teil außerhalb des Fensters an der Hausaußenwand befestigt werden, um im Winter die natürliche Kühle zum Frischhalten seines Inhalts zu nutzen – während im Sommer die PV-aktive Hülle einen Großteil des Verbrauchs decken soll (obwohl das auf der Grafik nicht zu erkennen ist). Weitere Details zur direkten Art der Kühlung werden nicht gemacht.

Ebenfalls im Mai 2010 berichten Forscher des schwedischen Royal Institute of Technology um Mamoun Muhammed, daß sie herausgefunden haben, daß die Zugabe von ein paar Nanopartikeln zu Wasser dessen Wärmeleitfähigkeit um bis zu 60 % verbessern kann, was eine enorme Steigerung des ursprünglich schon recht hohen Vermögens darstellt. Das Phänomen der Nanofluid-Kühlung ist zwar schon vor fast zwei Jahrzehnten entdeckt worden, kommt aber erst jetzt aus dem Labor heraus. Einer Umsetzung standen bislang drei Probleme im Wege.

Das erste Problem, das gelöst werden mußte, war die dem Wasser hinzugefügten Nano-Partikel davon abzuhalten, zusammenkleben, was durch Zugabe von Emulgatoren wie Cetrimoniumbromid, das ursprünglich als Antiseptikum entwickelt wurde, erreicht werden konnte. Das zweite Problem war, zu entscheiden, welche Partikel überhaupt eingesetzt werden sollen. Gegenwärtig gelten Oxide von Metallen wie Zink und Kupfer als Favoriten, es werden aber auch feinste Kohlenstoff-Röhrchen erforscht. Dies wiederum wirft die Frage auf, wie das Phänomen tatsächlich funktioniert, denn der Effekt ist nicht einfach nur eine Frage des zusätzlichen Wirkstoffes, wobei ein Anteil von 6 % - 8 % des Gesamtvolumens die optimale Mischung zu sein scheint.

Es stellt sich nämlich heraus, daß Nanofluide bessere Leiter sind als die Summe ihrer Teile. Und dies legt nahe, daß die Partikel die Struktur des Wassers selbst auf eine Weise verändern, die dessen Leitfähigkeit verbessert. Wasser hat - trotz seiner vielgestaltigen Erscheinungsformen - eine Menge interner Struktur, vor allem, wenn es kühl ist. Die Moleküle werden dabei, wenn auch nur lose, in einer Weise organisiert, die dem Material in seiner festen Form ähnelt, d.h. dem Eis. Nano-Partikel verändern diese Anordnung zwangsläufig, und das kann die Mischung besser in die Lage versetzen, Wärme zu übertragen. Wenn die beteiligten Veränderungen verstanden werden, wäre die Auswahl der richtigen Größe und Zusammensetzung der Nano-Partikel nicht mehr eine Frage der Spekulation. Das dritte und größte Problem beim Schritt vom Labor zur industriellen Umsetzung ist jedoch die Frage des Maßstabs. Mit Steigerung der Mengen verändert sich nämlich auch die Art und Weise erheblich, wie sich die Bestandteile mischen und reagieren - was es schwer macht, von kleinen Experimenten darauf zu schließen, was in einem kommerziellen Umfeld passieren wird.

Die Wichtigkeit dieser Technologie wird von dem weltweit größten Gemeinschaftsprojekt für die Forschung und Entwicklung von Nanofluid-Kühlmitteln unterstrichen. Es umfaßt ein Konsortium aus 12 führenden europäischen und israelischen Unternehmen und Forschungszentren und wird mit 8,3 Mio. € durch die EU unterstützt. Das Großprojekt NanoHex ist ursprünglich von der italienischen Forschungs- und Entwicklungsfirma ISIS R & D angestoßen worden, in Zusammenarbeit mit verschiedenen europäischen Industrien und Universitäten, und nutzt die vielversprechenden Forschungsergebnisse aus früheren Arbeiten der Konsortiumsmitglieder. Ziel ist die Entwicklung und Optimierung sicherer Prozesse zur Herstellung von Hochleistungs-Nanofluid-Kühlmitteln, die im industriellen Wärmemanagement zum Einsatz kommen sollen. Außerdem will man sich bemühen, ein analytisches Modell zu entwickeln, das die thermische Leistungsfähigkeit solcher Nanofluid-Kühlmittel genau vorhersagen kann, was bislang noch nicht möglich ist (Anm.: dieses Ziel scheint Mitte 2012 erreicht worden zu sein). Dazu kommt der Bau von mindestens zwei Pilot- und zwei Demonstrationsanlagen, um die technische und wirtschaftliche Machbarkeit zu belegen.

Im September 2010 wird gemeldet, daß ein Team von Ingenieuren um Ron Judkoff am National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, ebenfalls eine Lösung entwickelt hat, um die benötigte Energie von Klimaanlagen zu reduzieren. Statt zirkulierende flüssige Kühlmittel zu komprimieren, saugt das neue System warme Luft durch eine Kühleinheit, die ein Wasser-absorbierendes Bauteil enthält, das die Luft durch Verdunstung kühlt. Das Team meint, daß der Prozeß etwa 90 % der sonst benötigten Energie spart, und daß die Technologie in drei Jahren marktfähig sein könnte. Immerhin zeigen die großen Hersteller von Klimaanlagen Interesse an der bereits patentierten Innovation, die den Namen DEVap trägt (desiccant-enhanced evaporative cooling, in etwa: Trocknungsmittel-verbesserte evaporative Kühlung).

Das neue System beruht auf ein paar Hocheffizienzpumpen und Ventilatoren, nutzt aber auch Wasser zur Verdunstungskühlung, ein Konzept, das vielen Menschen im ariden Westen der USA in Form der auf Dächern montierten swamp coolers (Sumpf-Kühler) vertraut ist. Diese funktionieren besonders gut, wenn die Außenluft trocken ist, da das verdunstende Wasser die Wärme abführt und die im Haus zirkulierende Luft kühlt und befeuchtet. Die dabei genutzten benetzten Pads sind jedoch anfällig für mineralische Ablagerungen und Bakterienwachstum, und wenn die Außenluft sowohl heiß als auch feucht ist, kann die Verdunstung allein die Lufttemperatur nicht auf ein angenehmes Niveau senken.

Das NREL-Team setzt deshalb auf Trocknungsmittel und verwendet beim Bau eines Prototyps eine Calciumchlorid-Salzlösung sowie High-Tech-Membranen, die flüssiges Wasser daran hindern von einer Seite auf die andere kommen, Wasserdampf aber die freie Bewegung erlauben. Die Trocknungsmittel-Lösung befindet sich auf der einen Seite der Membran, und da Luft von der anderen Seite angezogen wird, kühlt diese durch Verdunstung ab und trocknet, da das Trocknungsmittel das Wasser absorbiert. Das Gerät beinhaltet die technischen Komponenten so eng gepackt, daß die Trocknung und die Kühlung fast augenblicklich geschehen, während die Luft hindurchfließt. Damit sollen alle Nachteile der Verdunstungskühlung überwunden, die Vorteile dagegen erhalten worden sein. Auf dem Foto sind der Prototyp des Luftströmungskanals und die gemessene Wärmeverteilung zu sehen.

Ein einziger verbliebener Nachteil ist, daß die DEVap Klimaanlagen eine Niedertemperatur-Wärmequelle (im Bereich von 70°C bis 80°C) erfordern, um das Trockenmittel erwärmen, so daß es das aufgenommene Wasser wieder freisetzt. In bestimmten Konfigurationen könnte dies durch Solaranlagen erfolgen, was den Stromverbrauch noch weiter vermindert. Die Energieeinsparungen liegen je nach Klimazone zwischen 50 % und 90 %. Bis die neuen Kühler im Handel verfügbar sind werden aber noch zwei bis drei Jahre vergehen, meinen die Wissenschaftler.

Yahoo eröffnet im September 2010 in Lockport, New York, sein neues energieeffizientes Rechenzentrum, das auch gleich seinen Spitznamen weg hat: Chicken Coop – also Hühnerstall. Was nachvollziehbar wird, wenn man sich das Foto anschaut. Das Gebäude ist so entworfen, daß es den natürlichen Wind nutzen kann, um die Innenräume kühl zu halten. Dadurch braucht es um 40 % weniger Strom als herkömmliche Rechenzentren. Von der Gesamtstromabrechnung entfällt sogar nur 1 % auf die Kühlung, was bei den 50.000 Servern ausgesprochen wenig ist. Der Grund: Bei der Verringerung der Notwendigkeit eines Kältemaschinenbetriebs hilft die kühle Luft im Norden des Staates New York, was Energie und Wasser spart. Deshalb auch die Form eines langen, schmalen Gebäudes, das die Luftzirkulation erleichtert. Yahoo reicht auch ein Patent für das Design ein, damit der Entwurf auch bei anderen Rechenzentren verwendet werden kann. Die Green IT-Initiative des US-Department of Energy hilft Yahoo mit 9,9 Mio. $, um das innovative und ausgeklügelte Design umzusetzen.

Sehr viel Presse bekommt im Oktober 2010 die 23-jährige Britin Emily Cummins, die als eine der 10 herausragendsten jungen Menschen in der Welt benannt wird – als einziger Europäer und einzige Frau – und eine große Auszeichnungen für ihre beiden Erfindungen erhält: einen solarbetriebenen Kühlschrank und ein Wassertransport-Gerät, die beide zum Einsatz in Afrika gedacht sind. Die von einer Jury aus Nobelpreisträgern ausgewählte Absolventin der Leeds University wird während einer Preisverleihung in Norwegen geehrt (Oslo Business for Peace). Was eigentlich überrascht, weil es sich zumindest bei dem Kühlgerät um eine Uralt-Technologie handelt, die schon in unzähligen Abwandlungen zum Einsatz kommt.

Ihren solarbetriebenen Kühlschrank, der inzwischen von Familien in Namibia, Südafrika, Sambia, Botswana und Simbabwe genutzt wird, hatte Cummins schon als Schulmädchen entwickelt. Er funktioniert durch Verdunstung und kann leicht verderbliche Waren wie Milch und Fleisch einen Tag lang kühl halten – bei etwa 6°C und ohne Verwendung jeglicher Stromquelle. Er besteht aus zwei ineinander steckenden Zylindern, von denen der innere aus Metall ist, während der äußere aus jedem greifbaren Material, einschließlich Holz und Kunststoff, bestehen kann und mehrere mit einem engmaschigen Netz versehene Öffnungen aufweist. In den Zwischenraum zwischen den beiden Zylindern wird ein Material wie Sand, Erde oder auch Wolle gefüllt, dann wird das Ganze in die Sonne gestellt. Deren Strahlung läßt die Feuchtigkeit des Füllmaterials verdunsten – und kühlt damit den von Metall dicht abgeschlossenen und trockenen Innenraum. Zum Weiterbetrieb muß nur ein wenig frisches Wasser nachgeschüttet werden.

Dasselbe Prinzip steckt auch hinter dem Entwurf des Thermodynamic Cooler, den der US-Designer Rochus Jacob vorstellt, und der auch äußerlich eine in Afrika weit verbreitete Form nachahmt. Das stapelbar ausgelegte Modell sieht schon professionell aus und beschert seinem Erfinder schon 2009 einen Preis. Der Raum zwischen den beiden Schalen soll anstelle von Sand mit nassem Glas-Schaum befüllt werden, einem Abfallprodukt, das beim Recycling von Glas anfällt, da es Wasser schneller aufsaugt und das ganze Gefäß deutlich leichter macht. Der voll funktionierende Prototyp wird aus recyclebaren Materialien wie Glasschaum, Ton und Bio-Kunststoffen gebaut.

Daß das Ganze noch etwas einfacher und ästhetischer geht, beweist der Terracooler meines Freundes Stephan Augustin, der uns mit seinem Watercone schon im Kapitel zur solaren Wasserentsalzung in der 3. Welt begegnet ist. Sein genialer Entwurf ist eine mit Wasserverdunstung funktionierende Kühlhaube für Obst, Salat usw., die aus einem einzigen, nachhaltigen Material gefertigt ist: Ton. Ich habe das System bereits auf einer Sonderseite dieser Publikation vorgestellt (s.d.).

Ende 2010 stellen Wissenschaftler der 1988 gegründeten Zeo-Tech GmbH in Unterschleißheim eine transportable Gefrierbox vor, die mit einer aktiven Kühlung längere Kühlzeiten ermöglicht als herkömmliche Boxen mit Eispacks oder PCM-Materialien. Besonders interessant dabei ist, daß sich die Box, einmal an der Steckdose aufgeladen, bis zu ihrem Einsatz verlustfrei lagern läßt, um dann auf Knopfdruck den Kühlprozeß zu starten. Etwa eine halbe Stunde nach Kühlbeginn können dabei Tiefkühltemperaturen von - 18°C erreicht und über einen längeren Zeitraum gehalten werden. Die lautlose Technik eignet sich aber auch für stationäre Aufgaben wie in der Pharmakologie oder für Minikühlschränke in Hotelzimmern.

Für den Kühlprozeß wird auch hier die Verdunstungskälte von Wasser genutzt, allerdings kombiniert mit der Fähigkeit der sogenannten Zeolithe, durch Adsorption große Mengen von Wasserdampf aufzunehmen. Das Wasser befindet sich in einem evakuierten Behälter, dem Verdampfer, der über ein Ventil mit einem zweiten Behälter verbunden ist, der das Zeolith enthält.

Sobald das Ventil geöffnet wird, sorgt die Adsorption des Wasserdampfes im Zeolith dafür, daß ständig weiteres Wasser verdampft, wobei das restliche Wasser bis weit unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird. Der Prozeß stoppt erst wenn die Aufnahmefähigkeit des Zeoliths erschöpft ist. Zur Regeneration wird das Zeolith zwei Stunden lang mit einem elektrischen 1.350 W Heizstab erhitzt, wobei das adsorbierte Wasser ausgetrieben wird und im Verdampfer kondensiert. Anschließend muß das Zeolith noch rund 5 Stunden auskühlen. Schließt man dann das Ventil, so kann die Kälteerzeugung nach beliebig langer Zeit einfach durch Öffnen des Ventils wieder in Gang gesetzt werden.

Die von 80 mm Polyurethanschaum gedämmte 50 l Transportbox Mobile Freezer hat im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Forschungsprojekts bereits die Serienreife erreicht. Sie enthält 13,5 kg Zeolith und wird mit einem Liter Wasser befüllt. Die Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Systemen wird mit 25 % bis 50 % angegeben. Dem Unternehmen zufolge werden bereits erfolgreich Gefriergeräte mit Zeolith-Technik verkauft, bei denen Eisakkus für beliebige Kühltransportaufgaben rein solarthermisch und ohne zusätzliche elektrische Energie gefroren werden. (Mehr über Zeolithe findet sich im Kapitel Thermische Energiespeicherung).

Das Prinzip der effektiven und energiesparenden Verdunstungskühlung in heißen und trockenen Klimazonen gleich auf ein ganzes Gebäude auszudehnen, ist die Idee des 2008 entworfenen Hydro House der Firma Rael San Fratello Architects aus Oakland, Kalifornien. Der Kühleffekt der Evapotranspiration (die Summe aus Transpiration und Evaporation) soll mittels Teichen als thermische Masse, sowie durch spezielle Lamellen erreicht werden, die das kompakte, einstöckige Haus schmücken. Seine V-Form umschließt einen Hof und den Innenraum-Teich, wobei kippbare Fenster eine Querlüftung durch das Haus und über den großen Teich erlauben, wodurch eine kühle Brise entsteht.

Auch das Dach des Hauses beherbergt einen ‚Teich’, der bis in die Wände hinein reicht, wo sich Wasser in den Lamellen und Perforationen der Hydro Walls genannten dicken Mauern sammelt und dann verdunstet und die Umgebung kühlt, sobald eine Brise darüber streicht. Bedienbare Oberlichter lassen das Tageslicht hinein und ermöglichen den Abzug der aufsteigenden heißen Luft.

Daß dies alles auch eine Nummer kleiner und einfacher geht, beweist eine Villa in Bodrum, im Südwesten der Türkei, die mit einem Regenwasser-Sammelbecken als Dach und natürliches Kühlsystem aufwartet. Aufgrund lokaler Bauvorschriften, die nur eine Maximalbaufläche von 75 m² erlauben, besteht das von Global Architectural Development entworfene Haus aus drei separaten Gebäuden, die durch Glasatrien verbunden sind (weshalb es auch Exploded House genannt wird). Das aus Beton errichtete Bauwerk stützt sich auf zwei passive Kühlsysteme - die Sammlung von Regenwasser und die natürliche Belüftung, wobei das Regenwasser in Kaskaden von dem Dach des einen Gebäudes auf das Dach des anderen fällt und dann wieder zurück zirkuliert, um eine Kühlung durch Verdunstung zu erreichen.

Sogar für den Einsatz im Großen gibt es schon Lösungen – zumindest deren Entwürfe. Eines davon, bei dem der Begriff ‚Kühlkörper’ eine ganz neue Ausdrucksform findet, stammt von der Londoner Designfirma PostlerFerguson und ist von den traditionellen Kühlmethoden der effizienten Wüstenarchitektur inspiriert, wo Low-Tech und natürlichen Materialien genutzt werden, um die Auswirkungen der brütenden Hitze durch die Steuerung des Lichteinfalls und die Förderung von Luftströmungen zu minimieren. Um die Wärme zu verringern werden dabei oft passive Design-Elemente wie Windtürme und Erdwälle eingesetzt.

Die britischen Designer entwerfen eine Reihe von 3D-gedruckten, hülsen- oder schotenförmigen Objekten, die eine energiefreie Kühlung durch Verdunstung erlauben und auf Plätzen und in öffentlichen Bereichen installiert werden können, um dort angenehme Mikroklimas zu schaffen. Jeder Großverdunster wird einzeln mit Hilfe einer 3D-Drucktechnik hergestellt, der Schichten aus lokal beschafftem Sand und einem Magnesium-basierten Bindemittel kombiniert, während die Formen auf einer 3D-Interpretation der orientalischen masharabiyas basieren, mit komplexer innerer Struktur und einer sehr großen Oberfläche. Wasser aus dem Inneren der Hülsen wird an die Oberfläche gezogen, wo es verdunstet und die Luft, die durch die Struktur fließt, kühlt. Das konzeptionelle Kühlsystem wird für die in Dubai ansässige Galerie Traffic konzipiert, deren Atelier seit 2007 historische und traditionelle islamische Architektur sowie fortschrittliche Produktionstechniken erforscht.

Mit Wärme zur Kühlung von Gebäuden beizutragen ist auch das Ziel der Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) um Peter McGrail, die im März 2011 ein neues poröses Material entwickeln, das die Rolle des bisher genutzten Kieselgels (Silicagel) übernehmen soll. Dieses kann eine große Menge an Wasser in einem kleinen Raumvolumen festhalten, da es auf den Wasserdampf wie ein Schwamm wirkt. McGrail ersetzt Kieselgel durch einen selbst entwickelten Werkstoff, der aus nanoskopischen Strukturen hergestellt wird, die selbstorganisiert komplexe dreidimensionale Formen bilden. Das Material ist poröser als Kieselgel und besitzt dadurch eine größere Oberfläche, an die sich die Wassermoleküle klammern können. Als Ergebnis kann es - bezogen auf Gewicht - drei bis viermal mehr Wasser aufnehmen als Kieselgel, was auch dabei hilft, die Größe eines Adsorbtionskühlers um bis zu 75 % zu verringern und seine Kosten zu halbieren.

Das neue Material bindet sich auch weniger stark an die Wassermoleküle. Das reduziert die Menge der benötigten Wärme, um die Wassermoleküle wieder freizusetzen, was den Prozeß effizienter macht und die Adsorption und Desorption des Wassers um 50 bis 100-mal schneller ablaufen läßt. Das Material soll auch mit anderen Kältemitteln als Wasser funktionieren, was den Temperaturbereich ausdehnt, bei dem eine dergestalt ablaufende Kühlung möglich ist. Eine solche Kältemaschine könnte besonders nützlich für die Kühlung mit heißem Wasser aus Solaranlagen sein, da sie gut mit deren relativ niedrigen Temperaturen arbeiten kann. Um innerhalb von drei Jahren das Material zu optimieren und einen kleinen Demonstrations-Kühler zu bauen, werden die Forscher des PNNL von der amerikanischen Agency for Energy mit 2,54 Mio. $ unterstützt.

Im April 2011 veröffentlicht ein Team der University of Illinois unter Leitung der Professoren William King und Eric Pop einen Bericht, dem zufolge sie im Zuge der ersten Beobachtung thermoelektrischer Effekte bei Graphen/Metall-Kontakten auch herausfanden, daß Graphen-Transistoren eine nanoskalige Kühlwirkung haben, die ihre Temperatur verringert. die gegenwärtigen Computer mit Silizium-Chips verwenden Ventilatoren oder fließendes Wasser, um ihre Transistoren abzukühlen, ein Prozeß, der viel Energie verbraucht. Zukünftige Computerchips aus Graphen – Kohlenstoffflächen, die nur 1 Atom dick sind – könnten aufgrund des neu entdeckten Effekts schneller und mit geringerer Leistung arbeiten als Silizium-Chips.

Das Team verwendet die Spitze eines Rasterkraftmikroskops als Temperaturfühler, um die ersten Temperaturmessungen im Nanometerbereich an einem arbeitenden Graphen-Transistor durchzuführen. Als nächstes soll dieser Temperaturfühler dazu verwendet werden, um die Erwärmung und Kühlung in Kohlenstoff-Nanoröhrchen und anderer Nanomaterialien zu studieren. Die Arbeiten werden vom Office of Scientific Research der Air Force und dem Office of Naval Research unterstützt.

Die NASA stellt im Mai 2011 eine winzige Pumpe vor, die zum Kühlen enger Zwischenräume dient und gerade mal so groß wie ein Finger ist. Sie benötigt nur 0,5 W und hat keine beweglichen Teile. Die Pumpe, die nach dem Prinzip der elektrohydrodynamisch basierten thermischen Kontrolle (electrohydrodynamic-based thermal control) funktioniert, ist in der Lage hitzempfindliche Bauteile zu kühlen. Die Forschungsgruppe um Jeffrey Didion vom NASA Goddard Space Flight Center und Prof. Jamal Seyed-Yagoobi vom Illinois Institute of Technology in Chicago kooperiert bei ihrer Arbeit mit der U.S. Air Force and dem NREL und wird vom Goddard Internal Research and Development (IRAD) unterstützt.

Die Anwendung der Elektrohydrodynamik verspricht eine Technologie, die es wesentlich erleichtert und effizienter macht, Wärme aus kleinen Räumen zu entfernen. Die neue Technik nutzt elektrische Felder, um ein Kühlmittel durch winzige Kanäle einer Kühlfläche zu pumpen. Von dort wird die Abwärme zu einem Rippenkörper transportiert und weit weg von wärmeempfindlichen Schaltungen abgestrahlt. Elektroden liefern die Spannung, die das Kühlmittel durch die Kanäle drückt. Um zu prüfen, ob die EHD-Pumpe der massiven Beschleunigung und den Vibrationen beim Start widerstehen kann, wird die Pumpe im Juni mit einer Höhenforschungsrakete ins All geschossen. Außerdem soll ein Prototyp im Jahr 2013 mit auf die ISS genommen werden. Das ultimative Ziel ist es jedoch, die Technik bis auf Chip-Ebene zu verkleinern, wo die Kanäle nicht größer als 100 Mikrometer wären, was einem Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht.

Im Juni zeigen Experten der Oregon State University (OSU) ein ungewöhnlich effizientes Prototyp-System, das Abwärme nutzt, um das wärmeerzeugende Gerät zu kühlen – und dabei auch noch Elektrizität zu erzeugt. Das thermisch aktivierte Kühlsystem (thermally activated cooling system) verbindet erstmals die beiden Kreisläufe, die bisher für die Nutzung und Verteilung von Abwärme verwendet wurden - einen Dampfkompressionszyklus und einem Organic Rankine Cycle (ORC).

Der vom Kühlschrank bekannte Dampfkompressionszyklus beinhaltet ein umlaufendes flüssiges Kältemittel, das im vorliegenden Fall durch Mikrokanal-Wärmetauscher läuft, um Wärme von heißen Oberflächen zu absorbieren, zu befördern und an anderer Stelle freizusetzen. Ein organischer Rankine-Zyklus wiederum nutzt eine organische Flüssigkeit mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur als die des Wassers. Dadurch bedarf es nicht so hoher Temperaturen, damit diese kocht, und sobald sie kocht, kann Strom erzeugt werden. Durch die Kombination der beiden Zyklen wird die Wärme sowohl abgezogen, als auch zum Betrieb des Kühlsystems genutzt. Der Prototyp an der OSU zeigt, daß er fähig ist, 80 % von jedem Kilowatt Abwärme in 1 kW Kühlfähigkeit zu wandeln. Bei der reinen Stromerzeugung ist das neue Kühlsystem nicht ganz so beeindruckend und kommt nur auf einen Wirkungsgrad von 15 % - 20 %.

Anlagen, die zur Kälteerzeugung die Abwärme von Blockheizkraftwerken, Solaranlagen und industriellen Produktionsprozessen nutzen, und dadurch im Vergleich zu herkömmlicher Kühltechnik bis zu 70 % Strom einsparen, bietet auch die Berliner InvenSor GmbH an. Ihre hochinnovativen Zeolith-Adsorptionskältemaschinen arbeiten mit reinem Wasser als Kältemittel und bescheren dem Unternehmen den Intersolar Award 2010.

Im Juli 2011 wird in den Sandia National Laboratories des DOE ein „fundamentaler Durchbruch in der Wärmeübertragungstechnologie für die Mikroelektronik“ gefeiert, da der dort entwickelte und nun auch öffentlich vorgestellte Sandia Cooler (auch: Air Bearing Wärmetauscher) deutlich weniger Energie braucht um Computer zu kühlen als bisherige Geräte.

Bei einem herkömmlichen CPU-Kühler besteht der Flaschenhals bei der Wärmeübertragung in der Grenzschicht an ‚toter Luft’, die sich an den Kühlrippen festklammert. Diese isolierende Schicht bleibt weitgehend unbeeinflußt von dem auftreffenden Luftstrom, der durch das Gebläse erzeugt wird. Der radikal neue und bereits zum Patent angemeldete Ansatz der Sandia-Experten um Ed Noma überwindet diesen thermischen Engpaß und erreicht eine mehrfache Verbesserung der Kühlleistung in einem Gerät, das kleiner, leiser und dazu auch noch immun gegen Verstopfung durch Staub ist.

Bei dem Sandia Cooler wird die Wärme direkt auf eine rotierende Struktur übertragen, welche die Funktionalität von Kühlrippen mit einem Radiallaufrad vereint. Die die Kühlrippen umhüllende tote Luft wird einem starken Zentrifugalkraft-Pumpeffekt ausgesetzt, was bei einer Geschwindigkeit von einigen tausend Umdrehungen pro Minute zu einer auf ein Zehntel reduzierten Grenzschichtdicke führt. Es gelingt, die behaupteten Leistungen an einem Konzept-Prototyp nachzuweisen und zu quantifizieren.

Ende des Jahres 2011 stellen Forscher der TU Berlin und des ZAE Bayern eine Absorptionskälteanlage in teilmodularer Bauweise mit 50 kW Kälteleistung vor, die in dem 2008 gestarteten Projekt ‚Absorptionskälteanlage nutzt Fernwärme und solare Niedertemperaturquellen’ entwickelt und im Betrieb optimiert worden ist. Die Felderprobung erfolgt durch den Energieversorger Vattenfall. Das 2009 konzipierte Modell wird Anfang 2010 von einem industriellen Zulieferer gefertigt und ab April 2010 in der TU Berlin zur Effizienz- und Prozeßbeurteilung vermessen, wo seitdem in rund 5.000 Betriebsstunden vielfältige Erfahrungen gesammelt werden konnten.

Die Wissenschaftler rechnen vor, daß sich mit dieser Technologie die Kältegestehungskosten halbieren und die elektrische Effizienz gegenüber dem Stand der Technik verdoppeln läßt. Im Sommer 2012 soll ferner das Funktionsmuster einer 160 kW Anlage erprobt und beide Anlagentypen für den Marktzugang vorbereitet werden. Die Entwicklung wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Im Jahr 2011 soll im Stadtteil Providencia der Hauptstadt Santiago de Chile das größte und ‚grünste’ Gebäude Südamerikas eröffnet werden, das hier Erwähnung findet, da das Hochhaus mit dem Wasser des San Carlos-Kanals gekühlt wird, welches nach seiner Verwendung gereinigt und in den Strom zurückgeleitet wird. Das von dem argentinischen Architekten Cesar Pelli entworfene 700 Mio. $ Projekt Costanera Center, ein Ensemble aus vier Gebäuden, deren höchstes sich 300 m weit in den Himmel streckt und 70 Stockwerke haben wird, soll neben Büros, Appartements und einem Hotel natürlich auch eine Shopping mall umfassen, die alle gekühlt werden wollen. Daß hierfür ein natürliches System ausgewählt wird, das auf Flußwasser basiert, macht das Projekt zu einem weltweiten Vorreiter.

Über eine ganz besondere Art der Kühlung berichtet die Presse Mitte 2012: Eine von US-Forschern der University of Southern Mississippi neu entwickelte Tarnschminke für Soldaten soll diese nämlich auch vor der Hitze von Explosionen schützen, indem sie bis zu 15 Sekunden lang Temperaturen von mehr als 600°C widersteht. Von dem Produkt können natürlich auch Feuerwehrleute, Stahlarbeiter, Stuntmen und andere Berufsgruppen profitieren - für die deshalb eine farblose Variante entwickelt worden sei. Wie der Kühl- bzw. Isolationseffekt genau funktioniert, wurde nicht gesagt, nur, daß dabei unbrennbare Silikone zum Einsatz kommen.

Zum Abschluß dieses Kapitels möchte ich noch eine Abbildung aus dem US-Magazin Modern Mechanix vom August 1931 präsentieren und fragen: Wer hat die Möglichkeit und ist bereit, einen Test zu machen, ob die gemachte Angabe stimmt? In dem Text wird nämlich behauptet, daß es ausreicht etwas Wasser in einen Stahlzylinder zu packen, um dieses mit einem einzigen, festen Hammerschlag sofort in Eis zu verwandeln. Ich bin sehr gespannt, ob sich dies tatsächlich als machbar herausstellt - völlig unabhängig von anderen klimatischen oder thermischen Bedingungen.

Jedenfalls paßt diese Meldung gut als Übergang zum nächsten Kapitelteil, in welchem es um die Kältespeicherung geht.

KÄlte- und Eisspeicher

Zwar sind die Wärmespeicher (noch) unter den Energiespeicher-Methoden eingeordnet, doch die Kältespeicherung soll gleich von Anfang an, an der richtigen Stelle stehen, hier, denn nach der Erzeugung von Kälte kommt deren kurz-, mittel- und langfristige Speicherung.

Ich überspringe die traditionellen Methoden (Eiskeller, Kavernen usw.) und komme gleich zu Projekten, die entweder besonders innovativ sind, oder bei denen diese Form der Energiespeicherung eine signifikante Größe erreicht, wie es beispielsweise bei Saisonalspeichern der Fall ist. Zur Erinnerung: Schon in den 1920er und 1930er Jahren stellten in den USA Kinos in der Nacht große Mengen von Eis her, um die Filmtheater tagsüber zu kühlen.

Eisspeicher sind im Grunde Latentspeicher, die Kälteenergie in Form von Eis beim Phasenübergang von Wasser zu Eis speichern (Laden), wobei diese Kälteenergie beim Abtauen (Entladen) zu fast 100 % wieder an das Kältenetz abgegeben werden kann. In der Regel werden das Laden nachts und das Entladen tagsüber durchgeführt, um den niedrigeren Nachtstromtarif zu nutzen und die täglichen Kühllastspitzen aus dem Eisspeichersystem zu decken. Dadurch kann auch die Kältemaschine selbst wesentlich kleiner dimensioniert werden.

Bereits 1981 soll bei dem Neubau eines Versicherungshochhauses in Princeton, New Jersey, eine Methode des US-Kernphysikers Theodore Taylor für Kühlzwecke eingesetzt worden zu sein, bei der im Winter eine Grube mit Kunstschnee gefüllt wird, dessen Masse sich mit zunehmendem Schneegewicht allmählich in einen Eisblock verwandelt. Im Sommer wird das Schmelzwasser dann zur Wohnhauskühlung eingesetzt.

Noch größer ist das Projekt einer schneebetriebenen Klimaanlage der nordschwedischen Küstenstadt Sundsvall aus dem Jahr 2000, wo ein Haufen aus gut 30.000 m³ zusammengeräumten Schnees mit isolierendem Sägemehl und Kunststoffmatten bedeckt wird. Auch hier dient das Schmelzwasser zur Abkühlung der Raumluft in Gebäuden. Die Anlage hat zwar rund 3 Mio. DM gekostet, doch statt wie zuvor 350 MWh werden jetzt nur noch 25 MWh für die Kühlung der Gebäude benötigt, außerdem spart man das Kühlmittel Freon ein.

Im Jahr 2008 gibt das japanische Transportministerium bekannt, daß Pläne bestehen, das Terminal des New Chitose Airport in Sapporo, Hokkaido, ab 2010 mit Schnee zu kühlen. Immerhin fallen auf der Insel 20 m bis 30 m Schnee übers Jahr, von dem eine bislang nicht genannte Menge gesammelt und gespeichert werden soll. Tests hatten im vergangenen Winter gezeigt, daß bis zu 45 % des gesammelten Schnees bis September aufbewahrt werden kann. Mit der Anlage sollen rund 30 % des sommerlichen Kühlbedarfs des drittgrößten Flughafen Japans gedeckt werden, indem die im Flughafen-Kühlsystem zirkulierende Flüssigkeit von dem Schnee angekühlt wird.

Im März 2009 wird gemeldet, daß das Projekt verwirklicht wurde. Im Winter ist vor Ort ein 100 m langer, 200 m breiter und 8 bis 15 m hoher Schneehaufen zusammengepflügt und bedeckt worden. Nun soll ein Unternehmen beauftragt werden, bis zum Frühjahr 2010 ein System zu entwickeln und zu installieren, das den Schnee oder das kalte Schmelzwasser für die Klimaanlage nutzt. Bislang habe ich noch nicht herausfinden können, ob das zwischenzeitlich auch geschehen ist.

Nach dem erfolgreichen Projekt in Chemnitz (s.o.) werden 2008 auch in Deutschland neue Kältespeicherprojekte verfolgt.

Der Pharmakonzern Boehringer Ingelheim errichtet an seinem Standort im baden-württembergischen Biberach, wo seit 35 Jahren eine zentrale Kälteversorgung betrieben wird, einen Kältespeicher, in den 6,5 Mio. Liter Wasser passen. Dies reicht aus, um das Werksgelände mehrere Stunden lang mit Leistungen bis zu 10 MW energetisch effizient mit Kälte zu versorgen.

Studien zum Thema Kaltwasserspeicherung wurden hier seit 2003 betrieben, und im Herbst 2007 beginnt der Bau des 27 m hohen Kältespeichers, der im Oktober 2008 in Betrieb gehen soll. Ein Vorteil dieser Technologie, der besonders in der pharmazeutischen Industrie mit ihrem stark schwankenden Bedarf zum tragen kommt, ist die Entkoppelung der Kälteerzeugung vom Kälteverbrauch, wodurch das System sehr schnell auf eine schwankende Nachfrage reagieren kann.

Ein weiteres Bauprojekt läuft 2008 in Berlin an, wo am Flughafen Berlin-Brandenburg-International BBI von der Firma BLS Energieplan umd im Auftrag der E.ON edis AG ebenfalls ein Kältespeicher errichtet werden soll. Die E.ON hatte sich erfolgreich als Kontraktpartner für die Lieferung von Wärme, Kälte, Strom und Notstrom beworben. Als Berater werden die Fachleute aus Chemnitz engagiert, und das Projekt soll 2011 abgeschlossen sein.

Im Januar 2012 – also noch vor der inkompetenten und im Grunde auch unverantwortlichen Verschiebung einer Inbetriebnahme des Flughafens – meldet die Flughafenverwaltung, daß man rund die Hälfte seines Bedarfs an Strom aus erneuerbaren Energien decken wird, während die andere Hälfte der Energieversorgung mittels einer hocheffizienten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung gewonnen wird, wobei gasbetriebene Blockheizkraftwerke auf dem Flughafengelände gleichzeitig Strom, Wärme und Kälte liefern.

Ein deutsches Unternehmen, das in dem Bereich besonders aktiv und erfolgreich ist, ist die Firma isocal HeizKühlsysteme GmbH aus Friedrichshafen, der es mit einem neuartigen SolarEis-System gelingt, durch den Einsatz von Eis im Winter zu heizen und im Sommer kostenneutral zu kühlen. Das patentierte System (EP 1 807 672 B1) funktioniert nach einem bekannten physikalischen Grundprinzip: Verwandelt sich im Winter Wasser zu Eis, wird eine sehr große Wärmemenge – die sogenannte Kristallisationswärme – frei. Diese Wärme kann zum Heizen genutzt werden, indem einem Speicher die darin enthaltene Energie so lange entzogen wird, bis das Wasser im Speicher zu Eis gefriert, wie man auf dem Foto gut erkennen kann, wo es entlang der Wärmetauscherkonstruktion vereist ist.

Die 2005 von Alexander von Rohr gegründete Firma bezeichnet sich bereits als Marktführer bei der innovativen Speichertechnologie, die Energie über viele Monate im kostengünstigsten Speichermedium, nämlich Wasser, konserviert. Das System gilt als eines der wirtschaftlichsten und flexibelsten Wärme- und Kälteversorgungssysteme, die auf dem Markt angeboten werden. 2010 gibt es dafür den Innovationspreis des DIHK und des Magazins IMPULSE sowie den Innovationspreis des Landes Baden-Württemberg, und 2011 den VR-InnovationsPreis Mittelstand und eine Nominierung für den Umwelttechnikpreis Baden-Württemberg.

Das SolarEis-Konzept ermöglicht es, verschiedene frei verfügbare Energien aus der Umwelt sowie andere günstige Quellen gleichzeitig und mit hoher Effizienz einzusammeln, wobei es die zeitlich schwankenden Energieangebote in einem Langzeit-Kältespeicher einspeichert. Durch eine spezielle Wärmetauscheranordnung sowie ein ausgeklügeltes Lade-/Entladesystem kann sowohl Wärme (Abfallprodukt des Sommers) als auch Kälte (Abfallprodukt des Winters) über Monate hinweg nahezu verlustfrei gespeichert werden. Wechselt das System im Sommer vom Heiz- in den Kühlbetrieb, nimmt das Eis die überschüssige Wärme eines Gebäudes auf und kühlt es. Das System besitzt dadurch ein sehr hohes Energiesparpotential, ist extrem umweltfreundlich und gilt darum auch als besonders zukunftsträchtig.

Eine Kombination aus Solaranlage, Wärmepumpe und Eisspeicher mit 12.000 Liter Wasser kann bei Einfamilienhäusern wie auch großen Gewerbeimmobilien die Ölheizung samt Tank ersetzen, wobei die Amortisationszeit deutlich unter zehn Jahren liegt. Ein SolarEis-System für Einfamilienhäuser mit einer Leistung von 10 kW wird 2011 für 10.361 € netto angeboten. Eine der größeren Referenzen der Firma isocal bildet die Einbindung eines Eisspeichers in das Energie- und Klimakonzept des neuen Stadtarchivs der Stadt Stuttgart, wo ein 385 m³ großer Speicher inmitten eines Wasserschutzgebietes für die richtigen klimatischen Bedingungen und den Schutz der Dokumente sorgt.

Auf internationaler Ebene scheint das 2003 gegründete US-Unternehmen Ice Energy aus Windsor, Colorado, führend zu sein. Das Unternehmen bietet mit seinen Eis-basierten Energiespeicher- und Klimaanlagen insbesondere Energieversorgern eine nachhaltige, neue Lösung zur Reduzierung von Nachfragespitzen und zur Verbesserung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit des Stromnetzes. Die Ice Bear Klimageräte sind auch deshalb kostengünstig und energieeffizient, weil sie ihr Eis während Niedrigverbrauchszeiten erzeugen, wenn der Strom am günstigsten ist.

Im Oktober 2008 erhält Ice Energy in einer Finanzierungsrunde B 33 Mio. $ vom Investor Energy Capital Partners, der sich außerdem verpflichtet, der Firma zur Projektfinanzierung mit bis zu ​​150 Mio. $ Eigenkapital zu helfen. Ice Energy hatte als Startkapital 10 Mio. $, sowie in einer Finanzierungsrunde A weitere 25 Mio. $ eingenommen und befindet sich nun in Gesprächen mit rund 20 großen Energieversorgern über eine umfangreiche Liste von Pilotprojekten.

Austin Energy, die seit den 1990er Jahren eine unterirdische Kühlanlage betreiben, um tagsüber die Büros der Innenstadt zu klimatisieren, wollen 2009 die Syteme der Ice Energy testen.

Im Mai 2010 gibt Ice Energy bekannt, mit der Mercury Corporation aus Hammondsport, New York, eine Partnerschaft zur Errichtung einer neuen Produktionsstätte in den Bundesstaat geschlossen zu haben. Gleichzeitig beginnt in Glendale, Kalifornien, die Umsetzung eines 53 MW Projekts, bei dem u.a. mehr als 24 städtische Gebäude in Südkalifornien zu Reduzierung der Netzbelastung mit den Ice Bear Klimageräten ausgestattet werden, deren Betrieb mit billigem, nächtlichen Strom aus Windkraftanlagen erfolgen soll. Im Laufe der nächsten zwei Jahren werden dann die 11 teilnehmenden kleinen Energieversorger 6.000 Stück der 5.000 $ teuren Geräte an insgesamt 1.500 Standorten installieren, koordiniert von der Southern California Public Power Authority.

Das Unternehmen geht im September 2010 eine Technologie-Partnerschaft mit der Firma SunPower ein, um die Gebäude, die mit nachts gespeichertem Eis gekühlt werden, tagsüber mit Solarenergie zu betreiben. Das Projekt ist Teil des staatlich finanzierten Forschungs-, Entwicklungs-, Demonstrations- und Umsetzungsprogramm der California Solar Initiative (CSI) und wird gemeinsam mit dem Stromversorger PG & E, dem Energieberater KEMA, den Sandia National Laboratories und der Firma SunPower verwirklicht, die hierfür bereits 1,8 Mio. $ von der California Public Utilities Commission erhalten hat. Eine dritte Finanzierungsrunde C im Oktober bringt Ice Energy weitere 24 Mio. $ von Investoren wie den schon früher involvierten Energy Capital Partners, Good Energies, Sail Ventures und Second Avenue Partners, sowie dem neuen Investor TIAA-CREF. Außerdem erfolgt ein Umzug aus Colarado nach Glendale, Kalifornien. 2012 wird gemeldet, daß Ice Energy in diesem Jahr erstmal Profit erwirtschaften wird.

Eines der ältesten, wenn nicht sogar das größte Unternemen auf diesem Sektor ist die 1947 gegründete US-Firma Calmac Manufacturing Corp. aus Fair Lawn, New Jersey, die ihre Eis-Speicher-Systeme in bereits 3.500 Gebäuden installiert hat. Referenzen des Unternehmens sind das Hochhaus der Bank of America Tower in New York, ein Nordstrom-Kaufhaus auf Hawaii, das mit 43 t Eis gekühlt wird, oder Tata Consultancy Services, die Technologieabteilung des indischen Konglomerats, die ihre neue Forschungseinrichtung in Bangalore mit dem IceBank thermal energy storage System von Calmac ausstattet. Auch die Bank Credit Suisse kühlt in einem Bürohochhaus in Manhattan rund 175.000 m² Bürofläche mit Hilfe von im Keller gespeicherten Eisvorräten, ebenso wie IBM, DuPont, DaimlerChrysler, Wang, American Airlines, McDonald’s, die Marriott Hotels u.v.a.

Die Hybrid-Kühlsysteme, die auch in Verbindung mit Solarpaneelen genutzt werden können, verwenden stark isoliertes Polyethylen für die in einer Vielzahl von Größen verfügbaren Tanks, die von Wasser umgebene Gegenstrom-Wärmeaustauscher aus spiralförmig gewickelten Polyethylen-Rohren enthalten. Wenn der Ladezyklus beginnt, wird eine Lösung mit 25 % Ethylen- oder Propylenglycol durch eine Kühlmaschine gekühlt. Dies sind dünnflüssige, industrielle Kühlmittel mit besonders guten Wärmeübertragungseigenschaften. Im nächsten Schritt zirkuliert diese Lösung durch den Wärmetauscher im Inneren des Tanks, wobei sich das Eis gleichförmig im ganzen Tank bildet, was eine Besonderheit des IcaBank-Systems darstellt. Der Ladezyklus dauert etwa 6 bis 12 Stunden, und gegenüber konventionellen Kältezentralen sind Energiekosten-Einsparungen von bis zu 30 % möglich.

Vertriebspartner der Calmac in Deutschland sind die Gesellschaft für Kältetechnik-Klimatechnik GfKK mbH in Köln-Lövenich, die Climatic GfKK mbH in Berlin und die ISC Industrievertretungen GmbH in Bad Oeynhausen.

Unter den Gewinnern des Ecomagination Wettbewerbs von General Electric im Dezember 2010 ist auch die bislang unbekannte Firma IceCode aus West Lebanon, New Hampshire, und zwar mit einer Technologie, die es erlaubt das sich auf Windrotor-Blättern sammelnde Eis mittels Hochleistungs-Strompulsen zu entfernen (thin-film pulse electrothermal de-icing, PETD). Die Technologie, die auf Prof. Victor Petrenko vom Dartmouth College im Jahr 2006 zurückgeht, kann aber auch in der Kältetechnik und bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, wo sie bis zu 35 % der Energie einsparen soll.

In Schweden beispielsweise wurde die PETD-Technik bereits getestet und daraufhin beschlossen, die Spannkabel der 1.712 m langen Uddevalla Brücke mit 12 mm dicker PETD-Folie zu umhüllen, um sie von Vereisung frei zu halten. Abrechende Eisstücke hatten mehrmals zuvor eine zeitweilige Schließung der Brücke erforderlich gemacht.

Die Vorteile des IceCode-Systems zeigen sich aber auch am Beispiel eines typischen Haushalts-Eisbereiters, bei dem es in der Regel 6 Minuten dauert, um das Eis zu entfernen - während IceCode dies in zwei Sekunden tun kann. Ähnliche Einsparungen sind auf der Verdampferseite zu verzeichnen, die den Kühlschrank kühlt. Anstelle von 20 bis 40 Minuten dauert das Verfahren hier weniger als 30 Sekunden. Die Technologie kann auch umgekehrt verwendet werden, so daß sie als eine Art ‚Eis-Magnet’ funktioniert. Die Variation der elektrischen Impuls füht dazu, daß Eis besser an den entsprechend manipulierten Oberflächen haftet – was Snowboarder und Skifahrer dabei helfen könnte, bei Bedarf eine höhere Reibung zu erzielen. IceCode hat bereits eine Lizenzvereinbarung mit LG Electronics.

Im Oktober 2009 bietet die neu gegründete Firma IceCycle (ehemals Trinity Thermal Systems, gegr. 2003) aus Flower Mound, Texas, einen Nachrüst-Satz für vorhandene Klimaanlagen anderer Hersteller an, der einen separaten Kühlbehälter mit Wasser und Frostschutzmittel beinhaltet und dabei helfen soll, die Klimatisierungskosten in Höhe von bis zu 30 % zu senken – besonders während der Verbrauchsspitzenzeiten.

Bislang hat IceCycle eine Kapitaldecke von nur 600.000 $, was ausreichte um seit 2005 einige Pilotesysteme zu bauen, und sucht weitere 700.000 $, um die Aktivitäten zu erweitern. Von der Firma ist aber schon bald darauf nichts mehr zu hören – das Konzept scheint wohl doch nicht aufgegangen zu sein. Im November 2009 gibt es immerhin 150.000 $ vom Department of Energy, um das firmeneigene System weiterzuentwickeln.

Eine ähnliche Technologie wird 2009 auch am Weizmann Institute of Science in Rehovot, Israel, entwickelt, wo Igor Lubomirsky und seine Kollegen einen Weg entdeckt haben, den Gefrierpunkt des Wassers über sogenannte quasi-amorphe pyroelektrische Dünnschicht-Filme zu kontrollieren. Diese Flächen verändern ihre elektrische Ladung in Abhängigkeit von ihrer Temperatur. Ist eine pyroelektrische Oberfläche positiv geladen, wird das Wasser leichter gefrieren, hat sie eine aber negative Ladung, wird es schwerer frieren.

Daß Eisspeicher-Systemen zunehmend höhere Aufmerksamkeit gewidmet wird, belegt im Februar 2010 eine Meldung, der zufolge die Veolia Energy North America, eine Tochtergesellschaft des französischen Energie- und Wasserkonzerns Veolia Environnement, eines der größten Eisspeicher-Systeme der USA von Comfort Link übernommen hat, dessen Fernkälteanlage seit 1996 Geschäftsgebäude in der Innenstadt von Baltimore mit Kühlenergie versorgt.

Im Mai 2010 wird berichtet, daß Forscher der University of Utah unter der Leitung von Prof. Kent Udell nach einigen Jahren der Forschung eine Methode patentiert bekommen haben, um Kälte in einen riesigen Eisblock tief unter der Erde zu speichern. Nach dem Test eines kleinen Prototyps soll im folgenden Winter ein größeres Experiment unter den Hinterhof eines Campus-Gebäudes durchgeführt werden. Das Konzept sieht vor, Winterkälte aus der Luft zu entnehmen und sie bis zum Sommer zu speichern.

Innerhalb von 19 vertikalen Rohren wird ein Kältemittel wie Freon aus der Tiefe an die Oberfläche steigen. Gekühlt durch die Winterluft, geht es wieder hinunter. Es steigt als Dampf auf und kehrt als Flüssigkeit nach unten zurück, wo es alles friert - Wasser, Boden oder Fels. Eine Eiskugel in Größe eines Basketballs wird in ein paar Stunden schmelzen, und in Größe eines Tisches in eine Woche. Ein Eisball von Raumgröße könnte dagegen Monate bis zu einem Jahr als Kältequelle dienen. Die Wissenschaftler planen daher eine große Kugel aus Eis mit rund 35 m im Durchmesser, die mindestens 20 m unter der Oberfläche entstehen soll, um am Boden keine Schäden zu verursachen. Im Sommer wird von der Eiskugel gekühltes Freon heraufgepumpt, um die Klimaanlage zu betreiben, wobei keine einergiefressenden Kompressoren, sondern nur kleine Pumpen benötigt werden, die ihre Energie aus Solarzellen beziehen.

2012 wird berichtet, daß der Versuch hinter dem Sterling Sill Center der Universität einen 10 m breiten und 12 m langen Eisball in 3 m Tiefe ergeben hat. Das Monitoring erfolgte mittels mehrerer in den Boden eingelassenener Meßsysteme, wie man auf dem Foto gut erkennen kann.

Als nächstes gibt es die Wärmerückgewinnung zu besprechen, anschließend folgen andere Wärmeenergie-Systeme bzw. die physikalischen Grundeffekte, die ihrer Nutzung zugrundeliegen - sowie Beispiele für deren intelligente Umsetzung.

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