16. November 2018 
 
16. Oktober 2018

Chillventa: Effizienter und umweltfreundlicher kühlen

Freiburger Forscher arbeiten an einer Alternative zu gasförmigen Kältemitteln: „Unsere zum Patent angemeldete Kühltechnologie nutzt stattdessen elastokalorische Materialien“, erklärt Dr. Kilian Bartholomé, Experte für thermische Energiewandler am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, im Gespräch mit DIE MESSE.

Foto: Fraunhofer IPMFoto: Fraunhofer IPM
Elastokalorik macht Kühlen effizienter.
Herr Dr. Kilian Bartholomé, das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM ist auf der Chillventa in Halle 4A, Stand 108 zu finden und zeigt dort ein patentiertes Systemkonzept für die Kühlung mit kalorischen Materialien. Was ist das genau?
Wir stellen ein Kühlsystem vor, das anders als klassische Kühlsysteme funktioniert. Kühltechnik von heute arbeitet meist mit der Kompression gasförmiger Kältemittel. Unsere zum Patent angemeldete Kühltechnologie nutzt stattdessen elastokalorische Materialien. Solche Materialien haben die Eigenschaft, unter Krafteinwirkung eine reversible Temperaturänderung zu generieren.
Durch zyklisches Be- und Entlasten dieser Materialien und entsprechende Wärmeankopplung an eine Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke kann mit diesen Materialien ein Kühlkreislauf realisiert werden. Das Besondere an unserem Ansatz ist dabei der besonders effiziente Wärmetransport vom elastokalorischen Material zu den Wärmeübertragern. Dieses von uns patentierte Verfahren basiert auf einem Heatpipe-Konzept und verspricht eine besonders effiziente Systemrealisierung.

Das Fraunhofer IPM arbeitet seit Jahren an der Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Kühlsysteme, Wärmepumpen oder thermoelektrischer Generatoren auf Basis neuartiger funktioneller Materialien. Um was für Materia­lien handelt es sich dabei und welche besonderen Eigenschaften haben sie?
Bei den verwendeten elastokalorischen Materialien handelt es sich um handelsübliches Nitinol, also um eine Nickel-Titan-Legierung, die in der Regel als Formgedächtnislegierungen verwendet wird. Formgedächtnislegierungen haben die Eigenschaft, durch eine Temperaturänderung in eine zuvor trainierte Form überzugehen, welche auf eine Kristallstrukturänderung zurückzuführen ist.
In der Elastokalorik nutzt man dieselben Materialien – nur für den umgekehrten Effekt: Hier wird durch eine Krafteinwirkung eine Kristallstrukturänderung induziert, wodurch sich das Material erwärmt. Führt man diese Wärmemenge an ein Warmseitenreservoir ab und entspannt dann das Mate­rial anschließend, so kühlt es sich entsprechend unter die Ausgangs­temperatur ab. Nun kann das Material wieder thermische Energie aus der Umgebung aufnehmen und somit ein System abkühlen. Durch den zyklischen Betrieb lässt sich dann ein Kühlsystem rea­lisieren.

Welche Anwendungsgebiete gibt es heute für diese Technologie und welche erwarten Sie für die Zukunft?
Bisher sind elastokalorische Systeme noch nicht kommerziell am Markt verfügbar. Die Systeme befinden sich derzeit noch in der Entwicklung. Perspektivisch sehen wir aber insbesondere immer da ein passendes Anwendungsgebiet, wo aufgrund der F-Gase-Verordnung nach einer Alternative für die klassischen Kühlsysteme gesucht wird. Einen Markt sehen wir vor allem im Medizintechnik- und Laborbereich, in der indus­triellen Kühlung sowie in der Schaltschrankklimatisierung; aber auch die Klimatisierung mobiler Systeme bzw. der Bereich der Wärmepumpen versprechen interessante Anwendungen für unsere neue Kühltechnologie.

Kühlung und Kältetechnik sind weltweit ein großer Energiefresser, beispielsweise Klimaanlagen. Inwieweit können Ihre Forschungsergebnisse zur Erreichung der globalen Klimaziele beitragen?
Aus der Grundlagenforschung ist bekannt, dass die kalorische Kühlung gerade wegen der hohen Reversibilität des Effektes ein enormes Potenzial hat: Mit kalorischer Kühlung – egal ob elastokalorisch, magnetokalorisch und elektrokalorisch – kann man prinzipiell effizienter kühlen als mit herkömmlichen Systemen – und kommt auch noch ganz ohne klimaschädlicher Kältemittel aus. Insofern könnte Kühltechnik, die auf kalorischen Materialien basiert, durchaus einen relevanten Beitrag zur Erreichung der Klimaziele leisten.
Die Entwicklungsarbeit ist jedoch derzeit noch an dem Punkt, dass die hohe Effizienz der Materialien noch nicht in einem funktionierenden Gesamtsystem gezeigt werden konnte. Doch genau daran arbeiten wir am Fraunhofer IPM. Wir sind sehr zuversichtlich, dies auf Basis unseres neuen patentierten Systemansatzes auch zu schaffen.

Sie leiten die Gruppe Kalorik und Thermoelektrik am Fraunhofer IPM. Welche weiteren Neuheiten aus Ihrem Forschungsgebiet werden Sie auf der Messe zeigen?
Wir zeigen das erste elastokalorische Kühlsystem, das auf dem neuen patentierten Systemansatz basiert. Es setzt zum Wärmeübertrag auf das Heatpipe-Konzept. Mit diesem System können wir den Proof-of-Concept für diesen neuen Systemansatz erbringen.

Messebesucher drücken ja gerne selbst auf Knöpfe, um neue Technologien auszuprobieren. Welche Erfindungen versprechen am Fraunhofer-Stand die spannendsten Eindrücke?
Viele werden überrascht sein, was mit einem elastokalorischen Kühlsystem heute schon möglich ist. Messebesucher können sich das live bei uns am Stand ansehen und erklären lassen. Gleichzeitig sind wir natürlich auch an Partnern interessiert, die mit uns hier an einem Strang ziehen wollen. Das, was die neue Technologie an potentiellen Vorteilen verspricht, sollte Ansporn genug sein, hier mit den richtigen Partnern gemeinsam schneller zum Ziel zu kommen. Das könnte vielleicht der spannendste Eindruck bei uns am Stand sein – wenn jemand mit uns gemeinsam die Sache weiter vorantreiben möchte.

Die Chillventa gilt als Leistungsschau der Branche. Auf welche Innovationen sind Sie persönlich in diesem Jahr besonders gespannt?
Ich bin sehr gespannt, wie die Branche auf die immer stärker wirkende F-Gase-Verordnung reagiert, welche Maßnahmen hier bezüglich alternativer Kältemittel getroffen werden und welche Lösungen dabei erarbeitet wurden. Ich glaube, dass wir uns mit unserer innovativen Kühltechnologie nicht zu verstecken brauchen.

https://www.ipm.fraunhofer.de/
https://www.chillventa.de/

 

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