Wenn die Hitze des Sommers zuschlägt, schalten sich Klimaanlagen ein und der Energiebedarf steigt sprunghaft an, was das Stromnetz belastet. In einer wärmeren Welt werden effizientere Kühloptionen eine wichtige Rolle dabei spielen, den Anstieg des kühlungsbedingten Energiebedarfs einzudämmen. Dies gilt insbesondere für die fast 80 Prozent der Weltbevölkerung, die in Ländern rund um den Äquator leben, in denen selbst geringe Temperaturerhöhungen lebensbedrohlich sein könnten.
Neue Forschung von Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) bietet eine Roadmap, die skizziert, wie effizientere Kühlsysteme mit Entwicklung und Unterstützung durch die Industrie realisierbar sind. Das eingeladene Forschungsstudie erschien in der Zeitschrift, Konten der chemischen Forschung.
„Im Moment ist dies Grundlagenforschung. Dies könnte jedoch ein Game Changer für die Industrie sein“, sagte er Radha MotkuriPNNL-Chemieingenieur und korrespondierender Autor.
Die Chemie der Coolness
Motkuri und das Forschungsteam untersuchten einen Ansatz, der erhebliche Energieeinsparungen bieten könnte: Adsorptionskühlung. Diese Systeme können mit geringen Mengen an Abwärme aus einem Gebäude oder einer Industrieanlage betrieben werden, um Reaktionen zwischen einem dampfförmigen Kältemittel und einem festen Material anzutreiben.
„Sobald wir das erste Mal Strom zugeführt haben, war es das“, erklärt Motkuri. „Dann fährt das System mit sehr geringer Leistungsaufnahme fort – Adsorption, Desorption, Adsorption, Desorption.“
Dies steht im direkten Gegensatz zu herkömmlichen Kühlsystemen, die einen Kompressor verwenden und regelmäßige Energiezufuhr erfordern.
In Adsorptionskühlsystemen werden Moleküle eines dampfförmigen Kältemittels (der Gast) in den Nanoporen eines festen Materials (des Wirts) adsorbiert. Motkuri und seine Mitarbeiter haben untersucht, wie sich die Änderung der Geometrie der Nanoporen (Poren-Engineering) und die Geschwindigkeit der chemischen Wirt-Gast-Wechselwirkungen auf die Kühlleistung und Energieeffizienz von Adsorptionskühlsystemen auswirkt. Bild von Rose Perry | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens
Die Abstimmung eines Adsorptionskühlsystems zum Erzielen einer idealen Kühlleistung und Energieeffizienz erfordert das Verständnis der komplexen Chemie zwischen dem dampfförmigen Kältemittel des Systems, dem Gast, und dem festen Absorptionsmaterial, dem Wirt. Motkuri und seine Mitarbeiter gruben sich in diese Details ein und passten die an Porengeometrie des festen Sorbens, die Geschwindigkeit von chemische Wechselwirkungenund sogar die Auswirkung kleiner Defekte im festen Material – um zu verstehen, wie sie das gesamte System beeinflussen. Kürzlich wurde das Team eingeladen, seine Arbeit zu einem effizienten Ensemble zusammenzustellen, das Entwicklern in der Kälteindustrie dabei helfen kann, die Nachfrage nach energieeffizienteren Optionen zu befriedigen.
„Die kältemittelbasierte Adsorptionskühlung eliminiert die großen Kosten-, Effizienz- und Zuverlässigkeitsprobleme, die die Akzeptanz aktueller wasserbasierter Adsorptionskühlsysteme in Gewerbe- und Wohngebäuden begrenzt haben“, sagte er Peter McGrail, Labormitarbeiter und Chemieingenieur, der mehrere Jahre lang die Adsorptionskühlungsbemühungen von PNNL leitete. „Dieser Zeitschriftenartikel stellt eine Zusammenfassung jahrelanger Forschung zu neuartigen Sorptionsmittel-Kältemittel-Paaren dar, die die Adsorptionskühltechnologie erheblich vorangebracht haben.“
Umweltbewusste Komponenten
Mit global Hitzewellen auf dem Vormarsch und kühlungsbedingter Energiebedarf zu erwarten bis 2050 verdreifachen, gibt es einen Trend zu Kühlsystemen mit geringeren Umweltauswirkungen. Dazu gehören neben energieeffizienteren Systemen auch geänderte Standards für Kältemittel.
Häufig verwendete Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel werden in den nächsten Jahren zugunsten umweltfreundlicherer Fluorkohlenwasserstoffe (HFOs) abgeschafft. HFOs haben ein Treibhauspotenzial nahe Null, was bedeutet, dass Emissionen von HFOs im Vergleich zu Emissionen von Fluorkohlenwasserstoff-Kältemitteln viel weniger relative Wärme in der Atmosphäre halten.
In einem eingeladenen Artikel für die Accounts of Chemical Research stellten Motkuri und seine Co-Autoren diese Titelillustration zur Verfügung, die zeigt, wie die Chemie zwischen dem Kältemittel und den festen Sorptionsmaterialien in einem Adsorptionskühlsystem fein abgestimmt werden kann, um seine Kühlkapazität und Energieeffizienz zu beeinflussen. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Accounts of Chemical Research 2022 55 (5). Copyright 2022 American Chemical Society. Bild von Mike Perkins | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens
Motkuri und seine Mitarbeiter waren sich dieser Umstellung bewusst und führten ihre Tests mit dem leicht erhältlichen, kostengünstigen Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel R-134a durch. Dieses Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel hat ein hohes Treibhauspotenzial, aber ein ähnliches chemisches Verhalten wie HFOs, was es zu einer geeigneten Alternative für die Untersuchung der molekularen Wechselwirkungen von Adsorptionskühlsystemen macht, die in Zukunft HFOs verwenden werden. Die Forscher freuen sich darauf, HFOs als nächsten Schritt in umweltfreundliche Kühlsysteme in die zukünftige Adsorptionskühlungsforschung zu integrieren.
Die PNNL-Forscher Dushyant Barpaga, Jian Zheng, Peter McGrail und Radha Motkuri trugen dazu bei Artikel in Konten der chemischen Forschung. Diese Arbeit wurde von ARPA-E, dem US Military Sealift Command, dem Department of Energy Geothermal Technologies Office und dem Laboratory Directed Research and Development Programm von PNNL unterstützt.
Durch Alexandra Freibott, Pacific Northwest National Laboratory (PNNL)
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