Ein Schweizer Forschungsprojekt zeigt, wie man Abwärme, egal welcher Art, gleichzeitig für die Kühlung nutzen kann. So wie moderne Hybrid-Autos die Energie beim Bremsen zurückgewinnen (Rekuperieren), so kann Abwärme zukünftig zur Kühlung genutzt werden, statt nutzlos zu verpuffen. Diese Technik lässt sich auch dafür nutzen, um mit der Hitze der Sonne zu kühlen – so merkwürdig das auch klingt. Eine sogenannte "Adsorptionswärmepumpe" macht's möglich. Soeben läuft ein grösseres Projekt unter der Sonne Spaniens an, das eine ganze Fabrik nur durch die Kraft und Hitze der Sonne kühlt:
Manchmal ist es unumgänglich, irgendetwas aufzuwärmen. Kartoffelsuppe oder Risotto. Ein kleiner Teil der Wärme landet in den Speisen, der grosse Rest dagegen verpufft in die Umgebung. Es gibt aber noch viel mehr Abwärme: Der Laptop wird warm, noch mehr aber der Serverpark des Internetproviders. Bis jetzt ging all diese Wärmeenergie verloren. Doch das soll sich ändern. Ein Team aus europäischen Forscher beginnt nun damit, Abwärme «einzusammeln». Ein Team der Schweizer Empa ist mit dabei.
Wärme-"Rekuperation": IBM will mit Abwärme aus Rechenzentrum das Rechenzentrum kühlen
Für Dr. Matthias Koebel begann das Interesse am Wärmesammeln mit dem Schweizer Forschungsprojekt THRIVE («Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels»). Angestossen hatte das Projekt IBM Research Zurich. Das Forschungslabor in Rüschlikon stelle 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. Ziel war es, eine Adsorptionswärmepumpe zu entwickeln, die Abwärme in Kühlleistung verwandelt.
Wärme erzeugt Kälte: So funktioniert eine Adsorptionswärmepumpe
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-Forschenden zunächst eine Forschungswärmepumpe mit einer Leistung von 1 kW (Kilowatt) und später einen Prototyp einer Adsorptionswärmepumpe mit 10 kW erstellt. Diese Leistung würde ausreichen, um ein Einfamilienhaus in Südeuropa im Sommer zu klimatisieren.
Neuer Kohlestoff-Schwamm verbessert Kühlleistung
Koebels Team gelang es, ein neues Absorptionsmaterial zu entwickeln. Die Kühlleistung des neuen Mittels ist bereits 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.»
"HyCool" Projekt von Givaudan und Bo de Debò
Mit dieser Expertise ist das Empa-Team nun an einem neuen EU-Forschungsprojekt namens «HyCool» beteiligt, das im Mai 2018 startete und drei Jahre lang laufen wird. 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. Dazu wird die Adsorptionswärmepumpe mit einer herkömmlichen Wärmepumpe kombiniert. Es entsteht eine sogenannte Hybrid-Wärmepumpe.
Umweltfreundliche Energie der Sonne kühlt ganze Fabrik
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.
Quelle: EMPA Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
