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Kälte mit der Sonne erzeugen

© Empa - - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt© Empa - - Eidgenössische Materialprüfungs- und ForschungsanstaltDübendorf - Nicht nur an besonders heißen Tagen ist der Bedarf an Kühlleistung hoch, auch die Abwärme bleibt meist ungenutzt. Schweizer Forscher haben jetzt die Leistung von Adsorptionswärmepumpen mit Hilfe neuer Materialien deutlich gesteigert.

Bei vielen Wärmeprozessen wird nur ein Bruchteil der Energie verwendet, der Rest geht als Abwärme in die Umgebung. Mit einem neuen Material kann die Leistung von Adsorptionswärmpepumpen zur Erzeugung von Kälte verbessert und die Einsatzflexibilität deutlich erhöht werden.

Wie kann die Abwärme von großen Rechenzentren genutzt werden?
Das Schweizer Forschungsprojekt THRIVE (Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels) wurde vom IBM Research Institut Zurich angestoßen. Das Forschungslabor in Rüschlikon stellte sich die einfache Frage: Lässt sich mit der gewaltigen Abwärme eines grossen Rechenzentrums etwas Sinnvolles anfangen? Reicht die Energie vielleicht, um genau dieses Rechenzentrum aktiv zu kühlen? Als Partner holten die IBM-Forscher eine Reihe von Schweizer Material- und Systemspezialisten an Bord: Die ETH Zürich, die Hochschule für Technik Rapperswil (HSR), die Waadtländer Ingenieurhochschule HEIG-VD, das Paul-Scherrer-Institut (PSI) – und die Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt). Ziel war es, eine Adsorptionswärmepumpe zu entwickeln, die Abwärme in Kühlleistung verwandelt.

Prototyp der Kühlanlage im Rahmen des THRIVE-Projekts erfolgreich erstellt
Adsorptionswärmepumpen nutzen Hitze, um Kühlleistung zu erzeugen. In der Kühlzone der Anlage verdunstet Wasser und sorgt für Kühlung. Der Wasserdampf wird in der warmen Zone der Anlage von einem Absorbermaterial aufgefangen. Wenn das Absorbermaterial gesättigt ist, wird es durch Hitze von aussen wieder getrocknet und steht für einen weiteren Kühlzyklus zur Verfügung. Im November 2018, nach 47 Monaten Arbeit, endete das Forschungsprojekt erfolgreich. Im Rahmen von THRIVE hatten die HSR-Forscher zunächst eine Forschungswärmepumpe mit einer Leistung von 1 kW (Kilowatt) und später einen Prototyp einer Adsorptionswärmepumpe mit zehnmal grösserer Leistung erstellt. Diese Leistung würde ausreichen, um ein Einfamilienhaus in Südeuropa im Sommer zu klimatisieren.

Neues Absorptionsmaterial steigert Leistung von Adsorptionswärmepumpen deutlich
Ein Team um Dr. Matthias Koebel gelang es, ein neues Absorptionsmaterial zu entwickeln. Die Kühlleistung des neuen Mittels ist danach mehr als dreimal grösser als die des Ausgangsmaterials zu Beginn des Projekts. Nun möchte der Empa-Forscher auf diesem neu entwickelten Material aufbauen. "Wir haben einen porösen Kohlenstoffschwamm entwickelt, der dank seiner Mikroporen extrem viel Wasser aufnehmen kann und sich daher sehr gut für Adsorptionswärmepumpen eignet", erläutert Koebel. Das Material wird mittels Pyrolyse aus einem Kunstharz hergestellt. "Mit dieser Methode sind wir in der Lage, das Material auf den gewünschten Einsatzzweck masszuschneidern." Adsorptionswärmepumpen können künftig an verschiedene Aufgaben angepasst werden. So liefert etwa eine Holzpelletheizung höhere Temperaturen als der Abwärmestrom einer Grossküche. Um die vorhandene Wärme möglichst effizient in Kühlleistung umzuwandeln, wird das Absorbermaterial der Wärmepumpe spezifisch auf die Wärmequelle und das erwünschte Kälteniveau abgestimmt.

Neues EU-Forschungsprojekt in Spanien: Kälte und Wärme in einer Anlage
Das Schweizer Empa-Team nun an einem neuen EU-Forschungsprojekt namens "HyCool" beteiligt. Das Ziel: Der Aromahersteller Givaudan und der spanische Lebensmittelproduzent Bo de Debò möchten den Kühlbedarf ihrer Produktionsanlagen so weit als möglich mit Hilfe von Abwärme und Solarenergie decken. Durch die Kombination einer Adsorptionswärmepumpe mit einer herkömmlichen Wärmepumpe entsteht eine sogenannte Hybrid-Wärmepumpe, die zwar zusätzlich Strom verbraucht, dafür aber extrem flexibel ist. Die notwendige Wärme für die Kühlung soll auf dem Dach einer spanischen Fabrik bei Barcelona solar erzeugt werden: Ein 400 Quadratmeter grosses Feld von Spiegeln bündelt Sonnenlicht auf ein Rohr. In diesem Rohr wird Wasserdampf erzeugt, der über die Adsorptionswärmepumpe die nötige Kühlleistung erbringt. Auf dem gleichen Weg erhält die Fabrik Prozesswärme von bis zu 180 Grad Celsius und Wärme von bis zu 65 Grad Celsius für die Heisswasserversorgung und die Heizung der Fabrikhallen im Winter.

© IWR, 2019


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28.06.2019

 



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