Klimaschutz: Kühlen ohne Reue

Die Nachfrage nach Klimaanlagen wächst, doch die Geräte heizen die Erde weiter auf. Neue technische Ansätze könnten das lösen. Aber taugen sie auch in den Tropen?

Die Schlagzeilen klangen rätselhaft und dramatisch. "Kalte Luft erwärmt den Planeten", schrieb der britische Guardian im Sommer 2019. Und Bloomberg News warnte: "Air Conditioning ist die nächste große Bedrohung für die Welt." Nicht ohne Grund: Allein die Klimaanlagen in Privathäusern könnten bis 2100 die Welt um 0,5 Grad erwärmen, stellen Fachleute des Rocky Mountain Institute (RMI) im US-Staat Colorado fest - das Pariser Abkommen wäre praktisch nicht mehr zu erfüllen. "Es gibt ein geradezu explosives Wachstum", sagt Iain Campbell vom RMI, "der Beitrag solcher Geräte zum Klimawandel könnte sich in kurzer Zeit verfünffachen."

Milliarden zusätzlicher Kühlgeräte dürften in den kommenden Jahrzehnten für Wohnung, Küche, Büro und kommerzielle Anwendung verkauft werden, schätzen Experten des britischen Economist in einer Analyse. Kühlung sei kein Luxus, betonen sie. Die Temperatur kontrollieren und senken zu können, biete entscheidende Vorteile: Lebensmittel und Medikamente ließen sich besser lagern, Kinder könnten besser lernen, Angestellte produktiver arbeiten, das Gesundheitswesen müsse weniger Hitzeopfer versorgen. Außerdem sei es eine Frage der Gerechtigkeit: "Der Mangel an Kühlung schadet überproportional Frauen, Minderheiten und Armen."

Man kann Kühlmittel austauschen und Ökostrom nutzen. Doch das wird nicht ausreichen

Um den Effekt der Geräte auf das Klima zu begrenzen, möglichst sogar zu senken, sind jedoch entscheidende Verbesserungen der gängigen Kühltechnik nötig. Fast immer ist das Herzstück der Anlage ein Kompressor, der Kühlmittel umwälzt. Den Klimawandel treiben solche Geräte auf zwei Wegen an: Zum einen kommt der nötige Strom aus fossilen Quellen, und es ist oft viel Strom; zum anderen schaden gängige Kältesubstanzen dem Klima, wenn sie aus den Geräten lecken. Weltweite Bemühungen konzentrieren sich deswegen darauf, Kühlmittel gegen harmlose Produkte auszutauschen und Strom aus erneuerbaren Energieformen zu gewinnen.

Doch dieser globale Kühl-Konsens, wie es manche nennen, reicht womöglich nicht - auch das Arbeitsprinzip der Geräte selbst muss auf den Prüfstand. Längst arbeiten Forscher daran, mit Membranen, Magneten oder Kristallen effizienter zu kühlen, das Prinzip der Verdunstung oder sogar Wärmequellen für das Erzeugen von Kälte nutzbar zu machen.

Das Grundprinzip von Kühlung ist praktisch immer der Zustandswechsel eines Materials, ein sogenannter Phasenübergang. Wenn etwa eine Flüssigkeit verdampft und gasförmig wird, entzieht sie der Umgebung Wärme. Der Wechsel von flüssig zu gasförmig und zurück wie im gewöhnlichen Kühlschrank passiert auch bei den neuartigen Geräten, die Kälte mit Wärme erzeugen. Das Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) in Dresden zum Beispiel arbeitet am sogenannten Absorptionsverfahren, das zwei Substanzen zum Kühlen braucht.

"Wir verwenden unter anderem das natürliche Kältemittel Wasser und Lithiumbromid als Salz in einer konzentrierten Lösung", sagt der Entwickler Christoph Steffan. Das Salz zieht Wasserdampf förmlich an; dieser entsteht bereits knapp über null Grad Celsius, weil Wasser im Vakuum in den Kühlschlangen bei niedrigen Temperaturen zum Gas wird. Dadurch kühlt sich das verbleibende flüssige Wasser ab und senkt die Temperatur der Umgebung. Mit Abwärme oder solar erzeugter Wärme wird dann die angereicherte Salzlösung aufgeheizt, um den absorbierten Wasserdampf zu entfernen. Eine Absorptionskühlung klimatisiert zum Beispiel den Hauptsitz des Umweltbundesamts in Dessau.

Eine verwandte Technik heißt - mit d statt b - Adsorptionskühlung. Auch hier verdampft in den Kühlkanälen zum Beispiel Wasser bei Unterdruck; der Dampf lagert sich dann statt in Salzlösung an die Oberfläche eines Festkörpers an. Um den Effekt zu verstärken, nutzen Entwickler Beschichtungen mit poröser Struktur. An ihrer sehr großen inneren Oberfläche kann sich viel Wasserdampf binden. Später wird er mit Wärme wieder ausgetrieben.

Ein weiteres Prinzip ist Verdunstungskühlung, bei der Wasser unter normalem Druck verdampft. Das funktioniert so wie beim Schwitzen, mit dem die Haut den Körper kühlt. Im Gerät werden zum Beispiel Rohre mit Wasser besprüht, was den Inhalt kühlt. Die Ansätze lassen sich auch kombinieren. Die Firma Menerga aus Mülheim/Ruhr hat für ein Kühlgerät mit Adsorptions- und Verdunstungskühlung 2019 den Deutschen Rechenzentrumspreis gewonnen. Die Entwicklung, sagt der zuständige Manager Stephan Hülskamp, könne 40 bis 60 Prozent der Energie sparen und verzichte auf klimaschädliche Kältemittel. Das ist auch nötig: "Rechenzentren haben einen enormen Kühlbedarf, und der Sektor wächst enorm."

Absorption und Adsorption sind bisher Verfahren für maßgeschneiderte Anlagen bei großem Kühlbedarf. Die benötigte Kälteleistung und die zur Verfügung stehenden Mengen der Wärme von 60 Grad aufwärts müssen gut geschätzt werden - und zueinander passen. "Es ist ein anspruchsvoller Prozess, das richtig auszurechnen und technisch sauber umzusetzen", sagt Lena Schnabel vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg, die dort die Abteilung Wärme- und Kältetechnik leitet. "Man muss sehr viele Details beachten. Aber wenn man es ordentlich hinbekommt, ist Kühlen mit Wärme ein klimaschonendes Verfahren."

Die meisten Geräte sind für moderate Bedingungen gemacht. In Indien taugen sie wenig

Diese Schwierigkeiten sind vermutlich ein Grund, warum es keine Anlage mit dieser Technologie in die Endrunde eines Wettbewerbs des RMI geschafft hat, den "Global Cooling Prize". Das Institut möchte damit die Entwicklung einer klimaschonenden Klimaanlage zum Nachrüsten für eine Wohnung beschleunigen. "Wer den Wettbewerb gewinnen will, muss die Klimawirkung eines Standardgeräts um einen Faktor 5 unterbieten", sagt RMI-Forscher Campbell, der die Aktion leitet. "Das Ziel ist schließlich, die erwartete Steigerung um den Faktor 5 auszugleichen." Wer dieses und andere Kriterien erfüllt, kann mindestens eine Million Dollar gewinnen - und viel Prestige.

Die acht Teams im Finale stammen aus Indien, China, Japan, den USA und Großbritannien. Sie haben jeweils 200 000 Dollar bekommen, um ihren Prototyp zu bauen und nach Indien zu liefern, wo ab August - wegen der Corona-Krise voraussichtlich in Abwesenheit der Teams - die Ausscheidung stattfinden soll. Dazu gehört der Härtetest in einem Hochhausapartment in Südlage, wo das Gerät die Innentemperatur unter 27 Grad und die relative Luftfeuchtigkeit unter 60 Prozent halten muss.

"Besonders diese Bedingung ist hart", kommentiert Lena Schnabel vom ISE, deren Institut mit einem Vorschlag in einer Vorrunde ausgeschieden ist. "Im indischen Sommer kann die Luftfeuchte draußen sehr hoch sein - und heiße Luft enthält ja viel mehr Wasser als kühlere." Das Entfeuchten erweist sich unter solchen Bedingungen als der eigentliche Energiefresser, erklärt Schnabel.

Einige der Finalisten im RMI-Wettbewerb entkoppeln Entfeuchten und Kühlen darum. Ein Team nutzt ein neuartiges Bindemittel, das Wasserdampf aus der Luft saugt. Es lässt sich angeblich mit der Abwärme des eingebauten Kältemittelkompressors regenerieren. Zwei weitere Bewerber nutzen Membranen, durch die Wasser per Osmose aus der Luft entnommen wird. Einer davon will die gewonnene Flüssigkeit gar zum Verdunstungskühlen verwenden und verzichtet dafür auf Kompressor und Kältemittel.

Besonders innovativ findet der Organisator Iain Campbell auch den Vorschlag der britischen Firma Barocal, ein Spin-off der Universität Cambridge. Sie nutzt kleine organische Kristalle, die sich durch den Druck eines Kolbens erwärmen. Bei Entspannung kehrt sich der Prozess um, die Kristalle kühlen sich ab und können einer Flüssigkeit zum Wärmetransfer Energie entziehen, die dann die Temperatur der einströmenden Luft senkt. Ähnliche Phänomene lassen sich bei geeigneten Materialien beobachten, die man in die Länge zieht, einem elektrischen Feld aussetzt oder in ein wechselndes magnetisches Feld bringt. Die Effekte heißen Baro-, Elasto-, Elektro- oder Magnetokalorik.

Doch auch die coolste Idee muss sich in Indien bewähren. "Wir wollen das Problem für das härteste Klima lösen", sagt Iain Campbell. "Käufer hier sollen eine gute Option bekommen, wenn sie die erste Klimaanlage kaufen." Bisher seien die Geräte für moderate Bedingungen in Industrieländern optimiert. "Wenn man diese Technik einfach in die Tropen bringt, dann können sich die Leute das eigentlich nicht mehr leisten, weil die Betriebskosten das vier- oder fünffache des Kaufpreises erreichen. Vom Effekt auf das Klima ganz zu schweigen."