Klimaanlage der Zukunft: Kühlen mit Magneten und ohne Kältemittel

Vielleicht verbirgt sich die Zukunft der Klimaanlage unter Sahnepudding, Biomozzarella und Milchreis mit Zimtgeschmack. Die Lebensmittel liegen in der Kühltheke eines Supermarkts in Darmstadt. Sie sieht aus wie jede andere. Doch unter ihr arbeiten Magnete, die die Temperatur bei 6,2 Grad halten. Mehrmals pro Sekunde erhitzen sie ein spezielles Metall und kühlen es wieder ab. Ein Wasserkreislauf führt diese Kälte ab. Die Maschine kommt so ohne gasförmige Kältemittel aus, die heute mitunter klimaschädlich oder brandgefährlich sind, und benötigt obendrein weniger Strom als ein gewöhnlicher Kühlschrank. Heute hält die Technik Milchreis kühl, eines Tages vielleicht Wohnungen, Krankenhäuser und Schulen. Das ist das Versprechen der magnetischen Kühlung und ähnlicher Konzepte, die derzeit aus dem Labor in die Praxis drängen. Doch noch ist unklar, ob sie sich gegen die seit über hundert Jahren etablierten Kühltechnologien durchsetzen können – und welche Rolle individuelle Kühlung in klimaangepassten Städten von morgen überhaupt noch spielt. F.A.Z.-Artikel häufiger in Ihren Suchergebnissen sehen F.A.Z. bei Google bevorzugen Vom physikalischen Effekt zur kompletten Klimaanlage Das Prinzip hinter der Kühltheke ist der sogenannte „magnetokalorische Effekt“: Bestimmte Materialien ändern ihre Temperatur, wenn man sie einem Magnetfeld aussetzt. Der Grund liegt in den magnetischen Momenten der Atome. Zunächst sind sie zufällig verteilt, im Magnetfeld richten sie sich aus. Mehr Ordnung bedeutet in der Physik weniger Entropie. Doch eine Senkung der Entropie muss ausgeglichen werden. Darum wird das Material wärmer. Dieser Prozess ist umkehrbar. Nimmt man das Magnetfeld weg, kühlt sich das Material ab. Der Effekt ist seit über 100 Jahren bekannt, alltagstauglich wird er erst jetzt. Zunächst brauchte es ein Material, das ohne teure Elemente auskommt. Es waren unter anderem Wissenschaftler an der Technischen Universität Darmstadt, die in den Zweitausenderjahren eine Legierung aus Lanthan (La), Eisen (Fe) und Silizium (Si), kurz LaFeSi, als Kandidaten ausmachten. Diese Forschung bekam auch der Materialwissenschaftler Maximilian Fries mit, als er vor seiner Promotion stand. Zwei Leidenschaften seien dabei aufeinandergetroffen, erzählt er: „Ich finde Magnete absolut faszinierend.“ Sie begegneten uns jeden Tag, aber sie zu erklären, sei „ein quantenmechanisches Problem“. Die zweite Leidenschaft ist Effizienz: „Ich bin überzeugt, dass wir es als Gesellschaft nicht schaffen werden, weniger Energie zu verbrauchen.“ Aber wir müssten es schaffen, sie effizienter zu verbrauchen. Angetrieben von dieser Überzeugung forschte er an LaFeSi. Ein Problem: „Es rostet in Wasser einfach weg.“ Eine Beschichtung musste her. Fries begann sie zu entwickeln, und aus dieser Forschung heraus gründete er im Jahr 2017 gemeinsam mit Kollegen von der Universität das Start-up „Magnotherm“. Die Entwicklung der Beschichtung habe fünf Jahre gedauert. Sie besteht aus Kupfer, das sich in einem speziellen Bad auf einen porösen Würfel aus LaFeSi legt. „Die genauen Temperaturbereiche und die Zusammensetzung des Bades sind unser Know-how“, sagt Fries. Physiker, Ingenieure und Verfahrenstechniker arbeiten zusammen Der Gründer empfängt in T-Shirt und Kappe in seiner Firmenzentrale. Hinter dem Eingang stehen Tischtennisplatte und Schachbrett, dann folgen Großraumbüro, Werkstatt mit 3D-Druckern und modernen Fräsmaschinen, dazu noch ein Chemielabor. Das wirkt wie ein Start-up-Klischee und tatsächlich geht es hier um Austausch und kreative Ideen. Die Kältemaschinen der Firma arbeiten mit zwei Wasserkreisläufen. Fährt ein Magnet an dem porösen LaFeSi-Würfel vorbei, erwärmt sich das Material, und ein Kreislauf führt die Abwärme ab. Ist der Magnet weg, kühlt das Material ab, und der zweite Kreislauf nimmt die Kälte auf, um damit zu kühlen. Zwei- bis dreimal pro Sekunde passiert dieser Umschaltprozess. „Dahinter steckt viel Ingenieurskunst“, so Fries. Große Kältetechnikhersteller hielten zwar Patente auf magnetokalorische Verfahren. Doch eine komplette, effiziente Anlage habe niemand gebaut. Das Problem seien die Schnittstellen. Material, Strömung, Steuerung, das alles greift ineinander. Im Start-up sitzen deshalb Physiker, Maschinenbauer und Verfahrenstechniker nebeneinander, stehen im ständigen Austausch und entwickeln alles selbst: von der Materialbeschichtung bis zum Ventil des Wasserkreislaufs. Effizienter, aber teuer als klassische Klimaanlagen Die Kühltheke im Supermarkt ist eine Kooperation zwischen dem Start-up und Rewe. Vorserien-Prototypen hätten im Supermarkt-Alltag schon Effizienzsteigerungen von 15 Prozent im Vergleich zu klassischen Kühlanlagen erreicht. Das Ziel sei 20 Prozent. „Wir sind aber immer noch weit weg vom theoretischen Limit der magnetokalorischen Kühlung“, sagt Fries. Der Vorteil liegt in der Thermodynamik des Verfahrens. In klassischen Kältemaschinen entstehen im Kreislauf des Kältemittels und beim Wärmetransport unvermeidliche Verluste. Das Magnetisieren und Entmagnetisieren eines festen Materials dagegen kann annähernd reversibel und damit verlustarm ablaufen. Dem Vorteil der Effizienz stehen aktuell noch die Kosten gegenüber. Magnotherm hat sein System als Klimaanlage bei einer Modulhaus-Siedlung getestet. Ergebnis: „Es ist möglich, aber finanziell momentan nicht sinnvoll“, sagt Firmengründer Fries. Die Kosten übertrafen die einer konventionellen Anlage noch um das Zehnfache. Das Ziel seien ohnehin größere Klimaanlagen in der Leistungsklasse 250 Kilowatt, die Supermärkte oder Kliniken kühlen. „In drei Jahren wollen wir die ersten Systeme im Einsatz haben“, sagt Fries. Formgedächtnis: Kühlen, indem man Drähte dehnt und entspannt Die Magnetokalorik ist nicht das einzige Festkörperverfahren zum Kühlen. Andere Systeme nutzen etwa den Peltier-Effekt, bei dem elektrischer Strom Wärme durch ein Material transportiert. Paul Motzki, Professor für Smarte Materialsysteme für innovative Produktion an der Universität des Saarlandes, setzt wiederum auf den elastokalorischen Effekt. Grundlage sind Nickel-Titan-Legierungen. Werden sie mechanisch belastet, verändert sich ihre Kristallstruktur, das Material erwärmt sich. Lässt die Belastung nach, kühlt das Material ab. „In ersten prototypischen Anlagen, die noch nicht für den Dauerbetrieb gedacht sind, erreichen wir eine Effizienzsteigerung von 20 bis 50 Prozent gegenüber heutigen Technologien“, sagt Motzki. Im Projekt „SMACool“ entwickelt er mit seinem Team eine Klimaanlage für besonders energieeffiziente Wohnhäuser. Zudem arbeitet er mit einem Autohersteller am Batteriemanagement für Elektroautos. Neben Magnotherm und der Universität des Saarlandes arbeiten eine Handvoll Unternehmen und Forschungseinrichtungen an der Festkörperkühlung. Doch wird die Klimaanlage von morgen wirklich auf einem Technologiesprung hin zu Festkörperverfahren basieren? Oder eher auf stetiger Verbesserung etablierter Technologie? „Das kann man nicht eindeutig beantworten“, sagt Tobias Hungerland, Zukunftsforscher am Institut für Innovation und Technik in Berlin. Er vermute aber, es werde eher die stetige Verbesserung sein. „Dabei muss gar nicht nur das Kühlsystem an sich effizienter werden“, sagt er. Ein Ansatz seien intelligente Systeme, die den Kühlbedarf gezielt steuern. So müssten weniger Energie und Kältemittel eingesetzt werden. Eine Absage an die neuen Technologien? Nein, sagt Hungerland: „Man muss schauen, für welche konkreten Einsatzfelder sich die neuen Technologien eignen.“ Magnotherm zielt etwa auf Geschäftskunden. „Dort sind die Betriebskosten entscheidend, das sind Strom, Wartung, Zukunftssicherheit und Sicherheit“, sagt Fries. Hier könnte das System, das ohne gasförmige Kältemittel auskommt und wenig Strom verbraucht, seine Stärken ausspielen. Fernkälte als Zukunftstechnologie Auch Radhika Khosla sagt: „Es ist unwahrscheinlich, dass sich in den nächsten 20 Jahren eine der neuen Technologien in großem Maßstab durchsetzen wird.“ Die Leiterin des Programms „Zukunft der Kühlung“ an der Oxford Martin School sieht eher die Fernkälte als Zukunftstechnologie. Dabei erzeugen große Maschinen die Kälte zentral und verteilen sie über Rohrsysteme in Stadtvierteln. Hierzulande haben etwa Berlin, München und Chemnitz solche Netze. Dieser Text stammt aus der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung. F.A.S. jetzt lesen Fernkälte kann effizienter sein als viele individuelle Kältemaschinen. „Sie verhindert zudem Nachfragespitzen, wenn an heißen Tagen alle ihre Klimaanlagen laufen lassen“, sagt Khosla. Zudem mindert sie städtische Hitzeinseln, die durch die Abwärme von Klimaanlagen entstehen. „Aber die Nutzung von Fernkälte erfordert vorausschauende, strategische Planung“, erklärt die Expertin. Die ist in der Politik nicht immer gegeben. Für viele Regionen sei Hitze ein neues Problem mit unklaren Zuständigkeiten, meint Khosla: „Ist das ein Fall für das Energieministerium? Oder für das Gesundheitsministerium? Oder ist es eher eine Frage des Bauministeriums?“ Spitzenforschung und eine industrielle Basis reichen nicht Diese Fragmentierung erschwere es, nachhaltige Strategien zu entwerfen. Die müssten sich in der Stadt von morgen an einer Kühl-Hierarchie orientieren. „Am Anfang stehen passive Ansätze“, sagt Khosla: Bäume, Schatten, reflektierende Fassaden. Sie vermeiden Kühlbedarf. Danach käme die Lüftung: Gebäude müssten so entworfen sein, dass sie Durchzug erlauben. Erst dann sollte man wenig energieintensive Optionen wie Ventilatoren ins Auge fassen. Klimaanlagen sollten schließlich die letzte Option sein. Der Saarländer Forscher Paul Motzki glaubt dennoch an einen technologischen Paradigmenwechsel in der Kühlung. Denn selbst wenn sich die Festkörperverfahren nicht massenhaft durchsetzen, werden sie erstmals eine Auswahl ermöglichen. „Heute ist immer alles gleich Kompressionskühlung, weil es die einzige skalierbare Technologie ist“, sagt er. In Zukunft werde man Alternativen haben. Das ist eine Chance für Deutschland und Europa. Derzeit sei der Kontinent ein Vorreiter. „Auf den wissenschaftlichen Konferenzen zu dieser Technologie haben wir im Vergleich zu Asien und Nordamerika eine sehr große Präsenz.“ Doch Spitzenforschung und eine durchaus vorhandene industrielle Basis allein reichen nicht aus, sagt Firmengründer Fries. Es brauche Kapital und die Bereitschaft, Risiken einzugehen. Dann könnte Europa in der neuen Kältetechnik zum Weltmarktführer werden.