Das Hinzufügen von Salz zu einer Straße vor einem Wintersturm ändert sich, wenn sich Eis bildet. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums haben dieses Grundkonzept angewendet, um eine neue Methode zum Heizen und Kühlen zu entwickeln. Die Technik, die sie „ionokalorische Kühlung“ genannt haben, ist in a beschrieben Papier veröffentlicht am 23. Dezember in der Zeitschrift Wissenschaft.
Die ionokalorische Kühlung macht sich zunutze, wie Energie oder Wärme gespeichert oder freigesetzt wird, wenn ein Material seine Phase ändert – beispielsweise von festem Eis zu flüssigem Wasser. Das Schmelzen eines Materials nimmt Wärme aus der Umgebung auf, während es beim Erstarren Wärme freisetzt. Der ionokalorische Zyklus bewirkt diese Phasen- und Temperaturänderung durch den Fluss von Ionen (elektrisch geladene Atome oder Moleküle), die aus einem Salz stammen.
Die Forscher hoffen, dass die Methode eines Tages für effizientes Heizen und Kühlen sorgen könnte, was mehr als die Hälfte der in Haushalten verbrauchten Energie ausmacht, und dazu beitragen könnte, aktuelle „Dampfkompressions“-Systeme auslaufen zu lassen, die Gase mit hohem Treibhauspotenzial als Kältemittel verwenden. Ionokalorische Kühlung würde das Risiko beseitigen, dass solche Gase in die Atmosphäre entweichen, indem sie durch feste und flüssige Komponenten ersetzt werden.
„Die Landschaft der Kältemittel ist ein ungelöstes Problem: Niemand hat erfolgreich eine alternative Lösung entwickelt, die Sachen kalt macht, effizient arbeitet, sicher ist und die Umwelt nicht schädigt“, sagte Drew Lilley, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berkeley Lab und Ph.D. Kandidat an der UC Berkeley, der die Studie leitete. „Wir glauben, dass der ionokalorische Zyklus das Potenzial hat, all diese Ziele zu erreichen, wenn er angemessen umgesetzt wird.“
Diese Animation zeigt den ionokalorischen Zyklus in Aktion. Wenn ein Strom hinzugefügt wird, fließen Ionen und verändern das Material von fest zu flüssig, wodurch das Material Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Wenn der Prozess umgekehrt wird und Ionen entfernt werden, kristallisiert das Material zu einem Feststoff, der Wärme freisetzt. Bildnachweis: Jenny Nuss/Berkeley Lab
Die Suche nach einer Lösung, die aktuelle Kältemittel ersetzt, ist für Länder von entscheidender Bedeutung, um die Klimaschutzziele zu erreichen, wie z. B. die im Kigali-Amendment (das im Oktober 2022 von 145 Parteien, einschließlich der Vereinigten Staaten, angenommen wurde). Die Vereinbarung verpflichtet die Unterzeichner, die Produktion und den Verbrauch von Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW) in den nächsten 25 Jahren um mindestens 80 % zu reduzieren. HFCs sind starke Treibhausgase, die häufig in Kühlschränken und Klimaanlagen vorkommen und Wärme tausendmal so effektiv wie Kohlendioxid einfangen können.
Der neue ionokalorische Zyklus schließt sich mehreren anderen Arten der „kalorischen“ Kühlung in der Entwicklung an. Diese Techniken verwenden verschiedene Methoden – einschließlich Magnetismus, Druck, Dehnung und elektrische Felder – um feste Materialien so zu manipulieren, dass sie Wärme absorbieren oder abgeben. Die ionokalorische Kühlung unterscheidet sich dadurch, dass Ionen verwendet werden, um Phasenänderungen von fest zu flüssig anzutreiben. Die Verwendung einer Flüssigkeit hat den zusätzlichen Vorteil, dass das Material pumpfähig wird und es einfacher wird, Wärme in das oder aus dem System zu bekommen – etwas, womit die Festkörperkühlung zu kämpfen hat.
Lilley und der korrespondierende Autor Ravi Prasher, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Energietechnologien des Berkeley Lab und außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der UC Berkeley, legten die Theorie dar, die dem ionokalorischen Zyklus zugrunde liegt. Sie berechneten, dass es das Potenzial hat, mit gasförmigen Kältemitteln, die heute in den meisten Systemen zu finden sind, mit der Effizienz zu konkurrieren oder diese sogar zu übertreffen.
Sie demonstrierten die Technik auch experimentell. Lilley verwendete neben Ethylencarbonat, einem gängigen organischen Lösungsmittel, das in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird, ein Salz aus Jod und Natrium.
„Es gibt Potenzial für Kältemittel, die nicht nur GWP sind [global warming potential]-Null, aber GWP-negativ“, sagte Lilley. „Die Verwendung eines Materials wie Ethylencarbonat könnte tatsächlich CO2-negativ sein, weil man es produziert, indem man Kohlendioxid als Input verwendet. Dies könnte uns einen Ort bieten, an dem wir CO2 aus der Kohlenstoffabscheidung nutzen können.“
Fließender Strom durch das System bewegt die Ionen und verändert den Schmelzpunkt des Materials. Beim Schmelzen nimmt das Material Wärme aus der Umgebung auf, und wenn die Ionen entfernt werden und das Material erstarrt, gibt es Wärme zurück. Das erste Experiment zeigte eine Temperaturänderung von 25 Grad Celsius bei weniger als einem Volt, ein größerer Temperaturanstieg als bei anderen kalorischen Technologien.
„Es gibt drei Dinge, die wir versuchen auszugleichen: das GWP des Kältemittels, die Energieeffizienz und die Kosten der Ausrüstung selbst“, sagte Prasher. „Vom ersten Versuch an sehen unsere Daten in Bezug auf alle drei Aspekte sehr vielversprechend aus.“
Während kalorische Verfahren oft in Bezug auf ihre Kühlleistung diskutiert werden, können die Zyklen auch für Anwendungen wie Warmwasserbereitung oder Industrieheizung genutzt werden. Das ionokalorische Team setzt die Arbeit an Prototypen fort, um zu bestimmen, wie die Technik skaliert werden könnte, um große Mengen an Kühlung zu unterstützen, die Temperaturänderung zu verbessern, die das System unterstützen kann, und die Effizienz zu verbessern.
„Wir haben diesen brandneuen thermodynamischen Zyklus und Rahmen, der Elemente aus verschiedenen Bereichen zusammenbringt, und wir haben gezeigt, dass es funktionieren kann“, sagte Prasher. „Jetzt ist es an der Zeit zu experimentieren, um verschiedene Kombinationen von Materialien und Techniken zu testen, um die technischen Herausforderungen zu meistern.“
Lilley und Prasher haben ein vorläufiges Patent für den ionokalorischen Kältekreislauf erhalten, und die Technologie steht nun zur Lizenzierung zur Verfügung.
Mehr Informationen:
Drew Lilley et al., Ionokalorischer Kältekreislauf, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.ade1696