06.01.2023 - Lawrence Berkeley National Laboratory

Eine coole neue Methode der Kühlung

Forscher hoffen, dass sie Kältemittel mit hohem Treibhauspotenzial ersetzen und eine sichere, effiziente Kühlung und Heizung für Haushalte ermöglichen

Wenn man vor einem Wintersturm Salz auf die Straße streut, ändert sich der Zeitpunkt der Eisbildung. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums haben dieses Grundkonzept angewandt, um eine neue Methode zum Heizen und Kühlen zu entwickeln. Die Technik, die sie "ionokalorische Kühlung" genannt haben, wird in einem am 23. Dezember in der Zeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschrieben.

Bei der ionokalorischen Kühlung macht man sich zunutze, wie Energie oder Wärme gespeichert oder freigesetzt wird, wenn ein Material seine Phase ändert - zum Beispiel von festem Eis zu flüssigem Wasser. Wenn ein Material schmilzt, nimmt es Wärme aus der Umgebung auf, während es beim Erstarren Wärme abgibt. Der ionokalorische Zyklus bewirkt diesen Phasen- und Temperaturwechsel durch den Fluss von Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle), die aus einem Salz stammen.

Die Forscher hoffen, dass diese Methode eines Tages effizientes Heizen und Kühlen ermöglichen könnte, was mehr als die Hälfte des Energieverbrauchs in Haushalten ausmacht, und dass sie dazu beitragen könnte, die derzeitigen "Dampfkompressionssysteme" abzulösen, die Gase mit hohem Treibhauspotenzial als Kühlmittel verwenden. Die ionokalorische Kühlung würde das Risiko, dass solche Gase in die Atmosphäre entweichen, eliminieren, indem sie durch feste und flüssige Komponenten ersetzt werden.

"Die Kältemittellandschaft ist ein ungelöstes Problem: Niemand hat bisher erfolgreich eine alternative Lösung entwickelt, die Kälte erzeugt, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht belastet", so Drew Lilley, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab und Doktorand an der UC Berkeley, der die Studie leitete. "Wir glauben, dass der ionokalorische Kreislauf das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen, wenn er entsprechend umgesetzt wird.

Die Suche nach einer Lösung, die die derzeitigen Kältemittel ersetzt, ist für die Länder von entscheidender Bedeutung, wenn sie die Klimaziele erreichen wollen, wie sie im Kigali-Amendment festgelegt sind (das von 145 Vertragspartnern, einschließlich der Vereinigten Staaten, im Oktober 2022 angenommen wurde). Das Abkommen verpflichtet die Unterzeichnerstaaten, die Produktion und den Verbrauch von Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) in den nächsten 25 Jahren um mindestens 80 % zu reduzieren. FKW sind starke Treibhausgase, die häufig in Kühlschränken und Klimaanlagen vorkommen und die Wärme tausendmal effektiver als Kohlendioxid speichern können.

Der neue ionokalorische Zyklus reiht sich in die Entwicklung mehrerer anderer Arten der "kalorischen" Kühlung ein. Bei diesen Techniken werden verschiedene Methoden - wie Magnetismus, Druck, Dehnung und elektrische Felder - eingesetzt, um feste Materialien so zu manipulieren, dass sie Wärme aufnehmen oder abgeben. Der Unterschied zur ionokalorischen Kühlung besteht darin, dass Ionen verwendet werden, um den Phasenwechsel von fest zu flüssig zu bewirken. Die Verwendung einer Flüssigkeit hat den zusätzlichen Vorteil, dass sich das Material pumpen lässt, wodurch es einfacher wird, Wärme in das System hinein oder aus ihm heraus zu transportieren - ein Problem, mit dem die Festkörperkühlung zu kämpfen hat.

Lilley und der korrespondierende Autor Ravi Prasher, ein Forschungspartner in der Energy Technologies Area des Berkeley Lab und außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UC Berkeley, legten die dem ionokalorischen Kreislauf zugrunde liegende Theorie dar. Sie berechneten, dass er das Potenzial hat, mit der Effizienz gasförmiger Kältemittel, die heute in den meisten Systemen verwendet werden, zu konkurrieren oder diese sogar zu übertreffen.

Sie demonstrierten die Technik auch experimentell. Lilley verwendete ein Salz aus Jod und Natrium sowie Ethylencarbonat, ein übliches organisches Lösungsmittel, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

"Es besteht die Möglichkeit, Kältemittel zu verwenden, die nicht nur GWP-neutral, sondern sogar GWP-negativ sind", sagte Lilley. "Die Verwendung eines Materials wie Ethylenkarbonat könnte tatsächlich kohlenstoffnegativ sein, weil man es unter Verwendung von Kohlendioxid als Input produziert. So könnten wirCO2 aus der Kohlenstoffabscheidung verwenden.

Wenn Strom durch das System fließt, werden die Ionen bewegt und der Schmelzpunkt des Materials verändert. Wenn es schmilzt, nimmt das Material Wärme aus der Umgebung auf, und wenn die Ionen entfernt werden und das Material erstarrt, gibt es Wärme zurück. Das erste Experiment zeigte eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius bei weniger als einem Volt, ein größerer Temperaturanstieg als bei anderen kalorischen Technologien.

"Es gibt drei Dinge, die wir auszubalancieren versuchen: das Treibhauspotenzial des Kältemittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Anlage selbst", sagte Prasher. "Nach dem ersten Versuch sehen unsere Daten bei allen drei Aspekten sehr vielversprechend aus."

Während kalorische Verfahren häufig im Hinblick auf ihre Kühlleistung diskutiert werden, können die Zyklen auch für Anwendungen wie die Wassererwärmung oder die industrielle Beheizung nutzbar gemacht werden. Das ionokalorische Team arbeitet weiter an Prototypen, um herauszufinden, wie die Technik skaliert werden kann, um große Mengen an Kühlung zu unterstützen, die Menge an Temperaturänderungen, die das System unterstützen kann, zu verbessern und die Effizienz zu steigern.

"Wir haben diesen brandneuen thermodynamischen Zyklus und Rahmen, der Elemente aus verschiedenen Bereichen zusammenbringt, und wir haben gezeigt, dass er funktionieren kann", sagte Prasher. "Jetzt ist es an der Zeit zu experimentieren, um verschiedene Kombinationen von Materialien und Techniken zu testen, um die technischen Herausforderungen zu meistern.

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