Trockenmittel, die der Luft Feuchtigkeit entziehen, könnten in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Kühlung unserer Häuser und Unternehmen spielen. Warme Luft speichert mehr Feuchtigkeit als kühle Luft. Wenn heiße, feuchte Luft über eine gekühlte Oberfläche strömt, fällt überschüssiges Wasser aus, weshalb Klimaanlagen und Wärmepumpen über Abflüsse verfügen.
Der menschliche Körper nimmt Wärme auf zwei Arten wahr. Der erste ist die tatsächliche Lufttemperatur und der zweite ist die relative Luftfeuchtigkeit. Wir fühlen uns bei 30 °C Hitze wohler, wenn die relative Luftfeuchtigkeit 40 % beträgt, als wenn sie 90 % beträgt. Wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist, neigen wir dazu, zum Ausgleich die Temperatur unserer Klimaanlagen zu senken, aber das bedeutet nur, dass wir mehr Strom verbrauchen als nötig.
Da die Welt immer heißer wird, wird sich der Strombedarf zur Deckung des Kühlbedarfs voraussichtlich verdreifachen. Die Internationale Energieagentur prognostiziert, dass Klimaanlagen bis 2050 4000 TWh (das ist kein Druckfehler) Strom verbrauchen werden. Das entspricht dem gesamten Stromverbrauch der Vereinigten Staaten im Jahr 2022.
Heutzutage erfüllen Klimaanlagen zwei Aufgaben. Erstens trocknet es die einströmende Luft. Dann kühlt es die trockenere Luft ab. Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, die beiden Funktionen zu trennen, sodass die Luft zuerst entfeuchtet würde, bevor die Kühlung erfolgt? Mehrere neue Unternehmen schlagen genau dies vor, indem sie Materialien verwenden, die als Trockenmittel bekannt sind. Sie schätzen, dass dadurch der Bedarf an Strom zur Kühlung unserer Häuser und Unternehmen um 50 bis 80 Prozent gesenkt werden könnte. Diese Systeme könnten selbst bei extremer Hitze und Feuchtigkeit effizienter kühlen und so die Belastung des Netzes verringern.
Trockenmittel ermöglichen mehr Kühlung bei weniger Strom
Eine herkömmliche Klimaanlage nutzt einen Kompressor, um ein Gas unter Druck zu setzen, das sich später bei seiner Ausdehnung abkühlt. Dieser als Dampfkompression bezeichnete Ansatz ist über 100 Jahre alt und das grundlegende Design hat sich seit seiner Erfindung kaum verändert, erzählt Ankit Kalanki, Manager im Programm für kohlenstofffreie Gebäude am Rocky Mountain Institute MIT Technology Review. Das Umpumpen und Komprimieren des Kältemittels, um die Wärme nach außen zu transportieren, erfordert viel Energie, insbesondere wenn die Temperaturen sehr hoch sind.
Kalanki sagt, dass die Behaglichkeit eines Gebäudes viel mit der Aufrechterhaltung einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit zu tun hat, aber Klimaanlagen müssen die Luft abkühlen, um ihr Feuchtigkeit zu entziehen. Ohne ein spezielles System zur Bekämpfung der Luftfeuchtigkeit würden Gebäude oft „überkühlt“, was zu einer enormen Energiebelastung führen könne. Trockenmittel könnten dazu beitragen, den Energiebedarf zu senken, indem sie den Entfeuchtungsprozess vom Kühlprozess trennen.
Sie kennen diese kleinen weißen Päckchen, die in der Verpackung neuer elektronischer Geräte enthalten sind und auf denen steht: „Essen Sie das nicht?“ Dabei handelt es sich um Trockenmittel, die die Gegenstände im Karton während des Transports trocken halten. Es gibt jedoch auch andere Arten von Trockenmitteln.
Zwei Ansätze für Trockenmittel
Transaera, ein 2018 gegründetes Spin-off des MIT, entwickelt ein Hybridsystem, das eine Art Material verwendet, das als metallorganische Gerüste bezeichnet wird. Laut Sorin Grama, CEO von Transaera, könnten herkömmliche Klimaanlagen dadurch 35 % weniger Energie verbrauchen als durchschnittliche Modelle.
Auf seiner Website sagt das Unternehmen: „Wir verwenden ein neuartiges schwammartiges Material, das Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnimmt und es unserer Klimaanlage ermöglicht, die Luft effizienter zu kühlen.“ Dann nutzen wir die von der Klimaanlage erzeugte Wärme – anstatt sie zu verschwenden –, um das Material für den nächsten Zyklus zu trocknen.“
Blue Frontier mit Sitz in Südflorida verfolgt einen völlig anderen Ansatz. Seine Kühltechnologie basiert auf einer Salzlösung, die so konzentriert ist, dass sie der Luft Feuchtigkeit entziehen kann. Zunächst strömt ein Luftstrom durch einen Kanal und über eine dünne Trockenmittelschicht, die der Luft Feuchtigkeit entzieht. Anschließend durchläuft die getrocknete Luft einen Verdunstungskühlungsschritt, der die Lufttemperatur senkt.
Es funktioniert im Grunde auf die gleiche Art und Weise, wie Schweiß Ihre Haut kühlt, indem es die von Wissenschaftlern so genannte Verdunstungswärme nutzt. In trockenen Klimazonen wie Arizona und New Mexico werden Verdunstungskühler anstelle von Klimaanlagen verwendet, da die Luftfeuchtigkeit dort so niedrig ist. Sie werden auch als Sumpfkühler bezeichnet und können bis zu 80 % weniger Strom verbrauchen als herkömmliche Klimaanlagen.
Durch die Kombination von Verdunstungskühlung mit Trockenmitteln kann das System von Blue Frontier in praktisch jedem Klima funktionieren, sagt CTO Matt Tilghman. Seine Abläufe können angepasst werden, um Änderungen des Wetters oder des Thermostatsollwerts zu berücksichtigen und so das Gleichgewicht zwischen Kühlung und Entfeuchtung zu verändern, was zu weiteren Effizienzsteigerungen beitragen könnte. Mit dem Ansatz des Unternehmens soll der jährliche Stromverbrauch im Vergleich zu einer herkömmlichen Klimaanlage je nach Umgebung um insgesamt 50 bis 80 Prozent gesenkt werden können, behauptet Tilghman.
Austrocknen des Trockenmittels
Eines der größten Hindernisse für den weit verbreiteten Einsatz der Adsorptionskühlung ist die Notwendigkeit einer Methode zum effizienten Wiederaufladen der Materialien. Trockenmittel sind wie Schwämme. Sie können nur eine begrenzte Menge Wasser aufnehmen, bevor sie ausgewrungen oder regeneriert werden müssen. Das bedeutet, dass ein Trockenmittelkühlsystem zusätzlich zu den Teilen, die die Luft trocknen und kühlen, einen Abschnitt benötigt, der das Trockenmittel regenerieren und das Wasser an einen anderen Luftstrom abgeben kann, der wiederum nach außen abgegeben wird.
Die meisten Trockenmittel können durch Erhitzen regeneriert werden, wodurch Wasser aus dem Material freigesetzt wird. Dieser Schritt kann jedoch energieintensiv sein und erfordert oft mit fossilen Brennstoffen betriebene Kesselsysteme.
Blue Frontier nutzt stattdessen eine Wärmepumpe, um sein Trockenmittel zu regenerieren. Die Wärmepumpe erhöht den Energiebedarf, aber während das Kühlsystem an heißen Sommertagen kontinuierlich laufen kann, kann das Regenerationssystem abends oder über Nacht laufen, wenn das Netz weniger belastet wird und die Strompreise niedriger sind, sagt Tilghman. Durch den Ausgleich der Regeneration könnte das System von Blue Frontier dazu beitragen, den Spitzenstrombedarf um 80 bis 90 % zu reduzieren.
Kühlung und Klimagerechtigkeit
Blue Frontier betreibt zwei Demonstrationskühlsysteme, eines in Florida und eines in Kanada. Das Unternehmen plant, Ende 2023 und 2024 mehrere Dutzend weitere zu installieren, sagt Tilghman. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf Systemen für größere Gewerbegebäude, bevor Systeme entwickelt werden, die für Häuser, Eigentumswohnungen und Wohnungen verwendet werden können. Obwohl die Systeme mehr kosten als herkömmliche Klimaanlagen, sollten niedrigere Stromrechnungen die höheren Vorabkosten innerhalb von 3 bis 5 Jahren ausgleichen.
Der Zugang zu effizienter Kühltechnologie könnte entscheidend dafür sein, dass mehr Menschen in sicheren Umgebungen leben und arbeiten können, ohne die Netze zu überlasten. „Wenn man sich die sich erwärmende Welt und die steigenden Temperaturen ansieht, braucht man Menschen, die Zugang zu Kühlung haben“, sagt Kalanki. „Es ist nicht nur eine Frage des thermischen Komforts oder des Produktivitätsgefühls, sondern jetzt auch eine Frage der Gerechtigkeit.“
Wenn es eine Möglichkeit gäbe, den Menschen Komfort zu bieten, ohne den weltweiten Strombedarf zu verdreifachen, wäre das gut für alle Menschen. Nur weil wir Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugen können, heißt das nicht, dass wir ihn nicht so effizient wie möglich nutzen sollten.
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