Kühlen, ohne das Klima aufzuheizen

Viele Kühlanlagen arbeiten mit stark klimaschädlichen Kältemitteln. Nun machen Forscher einen neuen Vorschlag.

Die weltweit unzähligen Klimaanlagen von Wohnungen und Gebäuden befeuern den Treibhauseffekt: Hausfassade in Hongkong. Foto: Getty Images

Die weltweit unzähligen Klimaanlagen von Wohnungen und Gebäuden befeuern den Treibhauseffekt: Hausfassade in Hongkong. Foto: Getty Images

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Kühlen heizt das Klima an. Das gilt nicht nur, weil die Energie dafür teilweise aus fossilen Quellen stammt, sondern auch weil in vielen Kühlaggregaten ausgesprochen klimaschädliche fluorhaltige Kältemittel stecken. Die Gase können durch winzige Risse und Löcher in den Aggregaten, beim Befüllen oder Entsorgen in die Atmosphäre gelangen. Dort befeuern sie den Treibhauseffekt, je nach Mittel mehr als 100- bis fast 4000-mal so stark wie Kohlendioxid.

Zwei Forscherteams, eines aus China, das andere aus Grossbritannien und Spanien, präsen­tierten kürzlich in den Fach­blättern «Nature» beziehungsweise «Nature Communications» eine feste Substanz namens Neopentylglykol als klimafreundliche Alternative. Sie besteht aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, zählt zu den sogenannten plastischen, also durch Druck verformbaren, Kristallen und ist eine Industrie­chemikalie, die vor allem in der Farben- und Schmiermittelproduktion zum Einsatz kommt.

«Als Kältemittel würde der Feststoff genauso gut funktionieren wie gängige fluorhaltige Mittel», sagt Xavier Moya von der University of Cambridge in Grossbritannien. Und ähnlich wie in den üblichen Kühl­­s­ys­temen würde man einen Kompressor und einen über einen Wärmetauscher gekoppelten Kühlkreislauf benötigen.

Historischer Erfolg der Umwelt-Gesetzgebung

Gängige Kühlsysteme nutzen den Effekt, dass sich zu Flüssigkeiten komprimierte Gase abkühlen, wenn sie sich plötzlich wieder ausdehnen können, wie Luft, die man aus einem Luftballon lässt. Bei den festen Neopentylglykol-Kristallen hingegen ändert sich die Temperatur mit der inneren Ordnung. Zwar sind die zentralen Kohlenstoffatome der verzweigten Teilchen in einer Gitterstruktur ähnlich fest positioniert wie die Kohlenstoff­atome eines Diamantkristalls, doch die Anhängsel können praktisch frei rotieren.

Drückt man das Material zusammen, nehmen auch diese Reste eine bestimmte Ordnung ein, wobei sich die Substanz erwärmt. Wird die Wärme abgeleitet und anschliessend der Druck weggenommen, stellt sich der ungeordnete Zustand wieder ein. Dabei wird das Material kälter.

Kühlsysteme verschlingen mehr als ein Viertel des weltweit erzeugten Stroms, Tendenz steigend.

Andere Forschergruppen und Start-ups setzen auf feste Kältemittel, die Eigenschaften und Temperatur ändern, wenn sie Magnet- oder elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Auch Wasser taugt als klimafreund­liches Kältemittel, etwa in so­genannten Adsorptionskälte­maschinen, die über Verdunstungskälte funktionieren. Ein Phänomen, das jeder kennt, der schon einmal durchnässt im Wind gestanden ist. Statt mit strombetriebenen Kompressoren werden solche Anlagen mit Wärme betrieben.

Lange wurden Kühlgeräte mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen betrieben (FCKW), die jedoch die Ozonschicht zerstören. In einem historischen Erfolg der internationalen Umwelt-Gesetzgebung wurden diese Stoffe im Jahr 1989 mit dem Montreal-Protokoll geächtet. In der Folge wurden die FCKW jedoch oft durch die enorm klimaschädlichen HFKW ersetzt, sogenannte teilfluorierte Kohlenwasserstoffe.

Mit den Kigali-Änderungen zum Montreal-Protokoll, die seit 2016 gelten, sollen auch die HFKW bis ins Jahr 2047 schrittweise stark reduziert werden. Druck kommt auch von der EU: Eine Verordnung schreibt vor, den Anteil der fluorhaltigen «F-Gase» wie HFKW in Kühlsystemen von 2015 an schrittweise zu senken. Bis 2030 soll die verkaufte Menge auf etwa ein Fünftel sinken.

Norm verhindert Einsatz von Propan

Allerdings sind die vielen Ansätze für alternative Kühlsysteme noch weit von einem Einsatz im grossen Stil entfernt. Gängige Kompressionstechnik lässt sich jedoch auf deutlich weniger klimaschädliche Gase umstellen – etwa auf Isobutan oder Propan, mit denen unter anderem Campingkocher, Heizstrahler und Grills betrieben werden und in Europa seit Anfang der 2000er-Jahre auch Kühlschränke. Kohlendioxid, mit dem schon viele Supermärkte und manche Autos gekühlt werden, und Ammoniak, ein Klassiker der industriellen Kältetechnik, sind ebenfalls klimafreundlichere Alternativen.

Würde der Grossteil der fluorhaltigen Gase durch solche natürlichen Kältemittel ersetzt, könnte die Erderwärmung bis 2100 um bis zu 0,5 Grad Celsius verringert werden, heisst es in einem UN-Dokument zu den Kigali-Änderungen.

Ein Problem sind die Kühl­möbel in den Supermärkten, ein noch grösseres die unzähligen Klimaanlagen von Wohnungen und Gebäuden in wärmeren Ländern. Eine internationale Norm verhindert, dass dort Propan zum Einsatz kommt: Pro Kältekreislauf dürfen nur höchstens 150 Gramm eingesetzt werden, denn das Gas ist leicht entzündlich.

Klimafreundlichkeit durch einen einfachen Kniff

Der Wert für Supermarktkälteanlagen ist allerdings unlängst auf praxistaugliche 500 Gramm erhöht worden. Untersuchungen des deutschen TÜV Nord haben gezeigt, dass bei 500-Gramm-Anlagen selbst in pessimistischen Leckage-Szenarien keine brandkritischen Konzentrationen zu befürchten sind. Für Klimaanlagen gilt die Beschränkung auf 150 Gramm allerdings nach wie vor.

Ob Kühlsysteme mit Feststoffen wie den plastischen Kristallen solche Diskussionen in Zukunft überflüssig machen werden, steht noch in den Sternen. Gerade arbeiten die Forscher aus Cambridge an der Wärmeleitfähigkeit des Materials und daran, dass Neopentylglykol auch nach vielen Zyklen noch zuverlässig kühlt. Ausserdem wollen sie die Energieeffizienz entsprechender Systeme prüfen.

Immerhin verschlingen Kühlsysteme mehr als ein Viertel des weltweit erzeugten Stroms, Tendenz steigend. In diesem Punkt lässt sich Klimafreundlichkeit allerdings auch mit einem einfachen Kniff erreichen: wenn nämlich Sonne oder Wind die Energie für den Betrieb der Anlagen liefern.

Erstellt: 10.09.2019, 17:51 Uhr

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