Festkörper-Klimaanlagen versprechen eine kühlere Zukunft, aber Wissenschaftler schwitzen über die Details

Nach drei Jahren rekordverdächtiger Hitze steht auch dieses Jahr wieder ein Hitzerekord an. Klimaanlagen? Die werden nicht verschwinden. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass sich die Zahl der Klimaanlagen bis 2050 verdreifachen wird. Das ist gut für die Gesundheit – eine Lancet-Studie schätzte, dass Klimaanlagen allein 2019 fast 200.000 vorzeitige Todesfälle verhindert haben –, aber schlecht für den Planeten. Künstliche Kälte verursacht bereits 7 % des weltweiten Stromverbrauchs und 3 % der Treibhausgasemissionen, und bei unsachgemäßer Entsorgung können die Geräte Kältemittel freisetzen, die ein höheres Treibhauspotenzial haben als Kohlendioxid.

Angesichts der Hitze hoffen zahlreiche Wissenschaftler und Start-ups, die Festkörperkühlung zu verstärken, die derzeit in kleinem Maßstab für Dinge wie Minikühlschränke, E-Auto-Batterien und einige High-End-Gaming-Computer eingesetzt wird. Herkömmliche Klimaanlagen übertragen Wärme, indem sie mit einem Kompressor und einem Ventilator ein Kältemittel zirkulieren lassen und es von flüssig zu gasförmig umwandeln. Festkörpersysteme hingegen transportieren Wärme durch leitfähige Materialien wie Gadolinium und Wismuttellurid – was theoretisch Räume und Oberflächen mit weniger unangenehmen Nebenwirkungen kühlen könnte.

Der Haken ist, ob sie mit der Effizienz herkömmlicher Klimaanlagen mithalten können. „Eine der Schlüsselfragen bleibt, warum Festkörperkühler nicht so effizient sind wie typische thermodynamische Kreisläufe“, sagt Pramod Reddy, Professor für Maschinenbau an der University of Michigan, der Wärmeübertragung erforscht.

Forschung und Pilotprogramme laufen, um verschiedene Ansätze zu testen. Das in Brooklyn ansässige Unternehmen Mimic Systems nutzt thermoelektrische Kühlung, bei der ein Strom durch halbleitende Materialien geleitet wird, um Wärme von einer Seite zur anderen zu verschieben. Sein Raumklimasystem wird derzeit in einer Wohnung in Vancouver getestet. Das deutsche Unternehmen Magnotherm will sein System, das auf einem magnetokalorischen Aufbau basiert und Wärme durch Magnetisieren und Entmagnetisieren von Materialien überträgt, in einer Supermarktkette testen. Ein Team in Hongkong hat angekündigt, dass sein elastokalorisches Gerät, dessen Material sich beim Ausdehnen und Zusammenziehen erwärmt und abkühlt, unter 0 °C sinken kann. Und das britische Unternehmen Barocal setzt auf barokalorische Systeme, die ihre Temperatur als Reaktion auf Druckänderungen ändern.

Experten, insbesondere auf dem Gebiet der Thermoelektrik, haben jedoch Zweifel, ob ein Festkörperkonzept mithalten kann. Für die meisten modernen HLK-Systeme liegt die Leistungszahl (COP) bei 3, erklärt Jeff Snyder, Professor an der Northwestern University, der elektrische und thermische Leitfähigkeit erforscht. Das bedeutet im Wesentlichen, dass das System drei Einheiten Wärme pro Einheit Energie bewegt, die hineingesteckt wird. Thermoelektrik hat insbesondere bei hohen Temperaturänderungen eine viel geringere Leistung, sagt Snyder, was bedeutet, dass sie am besten für Nischenanwendungen geeignet ist, wie zum Beispiel die Kühlung der Rückseite eines Autositzes.

Effizienz ist jedoch nicht alles, argumentiert Lindsay Rasmussen, Managerin beim Klima-Tech-Beschleuniger Third Derivative des Rocky Mountain Institute, der sowohl Magnotherm als auch Mimic unterstützt. In den USA verwenden die meisten derzeit verwendeten Klimaanlagen ein Kältemittel namens R410A, dessen Treibhauspotenzial mehr als 2000-mal so hoch ist wie das von Kohlendioxid. Außerdem können ihre beweglichen Teile sie weniger langlebig machen, insbesondere im Vergleich zu einem Festkörpermodell, das mechanisch weniger komplex ist.

Dennoch macht es der Mangel an Geräten schwer, die Effizienzfrage zu beantworten. Um zu verstehen, wie gut Alternativen funktionieren, sagt Rasmussen, müssen Forscher ihren langfristigen Energieverbrauch mit dem herkömmlicher Modelle vergleichen, anstatt nur auf den COP zu schauen. Mimic behauptet zum Beispiel, dass sein Raummodell über ein Jahr hinweg den Stromverbrauch einer typischen Klimaanlage erreichen sollte. Elastokalorische und barokalorische Systeme haben ebenfalls Potenzial, fügt Rasmussen hinzu, aber Prototypen in Raumgröße sind wahrscheinlich noch zwei bis drei Jahre entfernt.

Letztendlich ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass Festkörperkühlung kompressorbasierte Klimaanlagen ersetzen könnte. Aber während sich der Planet erwärmt und Orte wie Indien im nächsten Jahrzehnt zig Millionen neue Klimaanlagen installieren, werden die Festkörpertechnologien weiterentwickelt – und vielleicht finden sie ihren Platz in Nischen, wo sie am besten funktionieren.