Klimaschonende Kühlsysteme ohne schädliche Kältemittel

Magneto-, elektro- und elastokalorische Systeme

Rund um den Globus werden immer mehr Klimaanlagen installiert. Sie arbeiten meist mit klimaschädlichen Kältemitteln und benötigen zudem sehr viel Energie. Magnetokalorische Kältetechnik könnte in Zukunft deutlich energieeffizientere Kühlsysteme möglich machen, die ohne schädliche Kältemittel auskommen.

Magnetokalorik

Auf Basis des magnetokalorischen Effekts lassen sich besonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz ohne schädliche Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten magnetokalorischen (MK) Materialien. MK-Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich bei Einwirkung eines magnetischen Feldes erwärmen und bei Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen. So lässt sich ein Kühlzyklus realisieren: Das erwärmte MK-Material wird mit einer Wärmesenke verbunden, sodass Wärme abgeführt werden kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt, kühlt sich das Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann Wärme aufnehmen. Magnetokalorische Kühlsysteme erzielen im Vergleich zu kompressorbasierten Systemen bis zu 30 Prozent höhere Wirkungsgrade.

Elektrokalorik

Das Prinzip ist dasselbe wie bei der Magnetokalorik: Durch Anlegen eines Feldes wird reversibel Wärme im elastokalorischen Material erzeugt – nur dass es sich in diesem Fall um ein elektrisches Feld handelt. Durch intelligente Systemintegration kann ein effizientes Kühlsystem ohne schädliche Kältemittel realisiert werden.

Elastokalorik

Elastokalorische Materialien kennt man als »Formgedächtnislegierungen« schon aus anderen Anwendungen. Bei diesen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme eine Formänderung induzieren. Auch den umgekehrten Effekt kann man nutzen: Über einen Krafteintrag auf das Material wird reversible Wärme generiert. Ganz analog zur Magneto- bzw. Elektrokalorik kann man so durch entsprechende Systemintegration ein Kühlsystem aufbauen.

Das Prinzip kältemittelfreier Kühlung am Beispiel Magnetokalorik

© Fraunhofer IPM

Durch Anlegen eines magnetischen Feldes (H-Feld) wird das magnetokalorische Material (MK) erwärmt. (Schritt 1) In Schritt 2 wird das MK-Material mit einer Wärmesenke verbunden, sodass die entstandene Wärme (Q) abgeführt werden kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt (Schritt 3), kühlt sich das MK-Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann Wärme (Q) aufnehmen (Schritt 4).