Neues Material macht Kältemaschinen energieeffizienter

Die molekulare Gerüststruktur des Materials: In den großen Poren kann es besonders gut Wassermoleküle aufnehmen und wieder abgeben. Abbildung: Dirk Lenzen

Kälteanlagen gelten als Stromfresser, in denen noch immer umweltschädliche Kältemitteln verwendet werden, auch nach dem Verbot von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW). Eine umweltfreundliche Alternative sind Anlagen, die stattdessen mit Wasser arbeiten.

Ein Forschungsteam des Instituts für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat jetzt gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg ein hochporöses Material entwickelt, mit dem sich diese Kühlanlagen mit geringerem elektrischen Energieaufwand als bisher betreiben lassen. Dafür könnte bislang ungenutzte Abwärme zum Beispiel aus Fernheizungssystemen, Rechenzentren oder Solarthermie eingesetzt werden. Die Ergebnisse erschienen kürzlich im Fachmagazin Advanced Materials.

Vor allem Rechenzentren sind wahre Energiefabriken: Gewissermaßen „nebenbei“ produzieren Hochleistungscomputer jede Menge Wärme und müssen deshalb ständig gekühlt werden. So verursachen sie hohe Energie- und Stromkosten, während sie gleichzeitig ihre Abwärme ungenutzt an die Umgebung abgeben – ihre Temperatur ist zu niedrig, um sie anderweitig zu verwenden.

Doch theoretisch könnten damit spezielle Kühlanlagen, die Wasser als Kältemittel nutzen (sogenannte Adsorptionskälteanlagen), energieeffizient betrieben werden. Dafür müssten die dort verwendeten Materialien in der Lage sein, viel Wasser aufzunehmen und sich schon bei geringen Temperaturen zu regenerieren.

Umweltfreundliche und ressourcenschonende Kühlung

Diese Voraussetzungen erfüllt das poröse Material, das Professor Norbert Stock vom Institut für Anorganische Chemie mit seiner Arbeitsgruppe entdeckt hat. Damit kann ein Teil solcher Adsorptionskälteanlagen ausschließlich mit der Energie vorhandener Abwärme oder Solarthermie betrieben werden. „Damit ließe sich auch ein wichtiger Beitrag zur Nutzung erneuerbarer Energien leisten“, sagt Stock. Für diesen umweltfreundlichen Anlagetypus eignet sich ihr Material gleich doppelt gut: „Die Anlagen verbrauchen damit einerseits weniger Strom. Andererseits können wir das Material umweltschonend herstellen“, so der Chemiker weiter.

Der Kühleffekt entsteht in diesen Adsorptionskälteanlagen durch das Verdampfen von Wasser, wobei der Umgebung Wärme entzogen wird. Die Wasserdampfmoleküle werden anschließend von einem porösen Material, dem sogenannten Sorptionsmittel, adsorbiert und lagern sich in seinen Hohlräumen an. Es folgt eine Regenerationsphase: Durch die Zufuhr von thermischer Energie lösen sich die Wassermoleküle vom Material, verflüssigen sich und können im nächsten Zyklus wieder verdampfen. Auch das Material ist wieder einsetzbar.

Metall-organische Gerüstverbindungen sorgen für ideale Wechselwirkungen

Als Sorptionsmittel werden in Kältemaschinen normalerweise kristalline Zeolithe oder Silicagele verwendet, die dank ihrer porösen Struktur leicht Wasser aufnehmen können. Das Material des Kieler Forschungsteams weist besonders gute Sorptionseigenschaften auf: Es kann sehr schnell sehr viel Wasser aufnehmen und es bereits bei einer geringen Erhöhung der Temperatur schnell wieder abgeben. Das Material ist also nach kurzer Zeit „getrocknet“ und erneut einsatzbereit.

„Möglich macht das die ideale Größe seiner Poren, die für perfekte Wechselwirkungen mit den Wassermolekülen sorgen“, beschreibt Stock das Wirkungsprinzip. Die hochporöse Kristallstruktur des „CAU-10-H“ – so der offizielle Name des Materials, benannt nach Entwicklungsort, Versionsnummer und der Abkürzung von Wasserstoff – ist ein Beispiel für metall-organische Gerüstverbindungen (Englisch: „Metal Organic Frameworks“, MOF). Sie werden seit einigen Jahren intensiv in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen getestet.

Von der Grundlagenforschung in die Anwendung

Das Kieler Forschungsteam arbeitet schon lange an der Entdeckung neuer MOFs, bislang allerdings als reine Grundlagenforschung. Für die industrielle Anwendung beschichteten sie gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer ISE kommerziell erhältliche Wärmetauscher mit ihrem Material. „Die Vermessung des Wärmetauschers unter anwendungsnahen Bedingungen unterstreicht das hohe Potential dieses Materials“, berichtet Dr. Stefan Henninger vom Fraunhofer ISE. Im Labor lässt sich das Material bereits unter milden Reaktionsbedingungen, also bei 100°C mit Wasser als Lösungsmittel, in Kilogrammmengen herstellen („grüne Synthese“). „Um es für die industrielle Nutzung im größeren Maßstab zu produzieren, wollen wir in einem nächsten Schritt mit Firmen in Kontakt treten“, kündigt Stock an. Ein Patent auf ihre Herstellungsmethode haben die Partner bereits angemeldet.

Originalpublikation:
Scalable Green Synthesis and Full-Scale Test of the Metal–Organic Framework CAU-10-H for Use in Adsorption-Driven Chillers. Dirk Lenzen, Phillip Bendix, Helge Reinsch, Dominik Fröhlich, Harry Kummer, Marc Möllers, Philipp P. C. Hügenell, Roger Gläser, Stefan Henninger and Norbert Stock. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.201705869

Vom 23.-27. April 2018 präsentiert das Forschungsteam das Material und seine Anwendungsmöglichkeiten am Stand der Universität Kiel auf der Hannover Messe (Halle 2, Research & Technology, Stand C07). Professor Norbert Stock hält dazu vor Ort am Mittwoch, 25. April, um 14.30 Uhr und 17.00 Uhr einen Vortrag mit dem Titel „Nanoporöse Materialien für moderne und umweltfreundliche Kühlung und Klimatisierung“. Zum zweiten Mal ist die Landesuniversität auf der weltgrößten Industriemesse vertreten und zeigt vielfältige Beiträge des Forschungs- und Innovationsstandortes Schleswig-Holstein: http://www.uni-kiel.de/hannovermesse

Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-091-1.jpg
Bildunterschrift: Erste Tests gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme: Mit ihrem neuen Material beschichteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen herkömmlichen Wärmetauscher, wie er in handelsüblichen Kältemaschinen zu finden ist.
Foto: Dirk Lenzen

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-091-2.jpg
Bildunterschrift: Mit ihrem neu entwickelten Material „CAU-10-H“, hier in Pulverform, will das Kieler Forschungsteam Kühlanlagen effizienter machen.
Foto: CAU/Arbeitsgruppe Stock

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-091-3.png
Bildunterschrift: Verschiedene Atome (grün = Aluminium, rot = Sauerstoff, grau = Kohlenstoff) bilden zusammen die Gerüststruktur von CAU-10-H, das an der CAU entdeckt wurde. In den großen Poren kann es besonders effizient Wassermoleküle (blau) aufnehmen und wieder abgeben.
Abbildung: Dirk Lenzen

Kontakt:
Prof. Dr. Norbert Stock
Universität Kiel
Institut für Anorganische Chemie
Tel. 0431/880-1675
E-Mail: stock@ac.uni-kiel.de
Web: http://www.ac.uni-kiel.de

Dr. Stefan Henninger
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme
Materialien und Komponenten für Wärmetransformation
Tel.: 0761/4588-5104
E-Mail: stefan.henninger@ise.fraunhofer.de
Web: http://www.ise.fraunhofer.de

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text/Redaktion: Julia Siekmann
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de, Internet: www.uni-kiel.de, Twitter: www.twitter.com/kieluni Facebook: www.facebook.com/kieluni, Instagram: www.instagram.com/kieluni

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf http://www.kinsis.uni-kiel.de

http://www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2018-091-kalteanlagen
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Dr. Boris Pawlowski Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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