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Empa: Mit der Sonne kühlen

Ein Schweizer Forschungsprojekt unter Beteiligung der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa hat Adsorptionswärme von Rechenzentren so erfolgreich für die aktive Kühlung genutzt, dass jetzt ein EU-Projekt im großen Stil direkt Kälte aus Sonnenwärme produzieren wird.

Hybride Kältemaschine HyCool Bildquelle: © Empa, Hug & Dorfmüller Design AG

Im von IBM Research Zurich angestoßenen Projekt »Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels« ging es um die Frage, ob sich mit der gewaltigen Abwärme eines großen Rechenzentrums etwas Sinnvolles anfangen lässt.  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.

Hybride Kältemaschine HyCool Bildquelle: © Empa, Hug & Dorfmüller Design AG

Ziel war es, eine Adsorptionswärmepumpe zu entwickeln, die Abwärme in Kühlleistung verwandelt.  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.

Nach einer Forschungswärmepumpe mit einer Leistung von 1 kW (Kilowatt) wurde ein Prototyp einer Adsorptionswärmepumpe mit zehnmal größerer Leistung erstellt. Diese Leistung würde ausreichen, um ein Einfamilienhaus in Südeuropa im Sommer zu klimatisieren.  Adsorptionswärmepumpen sind jedoch nicht nur für die Kühlung einzelner Häuser oder Serverparks nützlich, sondern könnten auch die Effizienz von Fernwärmenetzen verbessern, errechneten Forscher der HEIG-VD. Würde man sie künftig für die stationäre Wärmeversorgung einsetzen, ergäbe das schweizweit eine Energieersparnis von vier bis neun Prozent, im Bereich der Industrieabwärme noch weitere drei bis sechs Prozent, kalkulierten Forscher des PSI.

Koebels Team entwickelte ein neues Absorptionsmaterial, dessen Kühlleistung mehr als dreimal grösser als die des Ausgangsmaterials zu Beginn des Projekts ist. »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.«