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May 28, 2023May 28, 2023

Standard-Klimaanlagen kühlen Gebäude, tragen aber zur globalen Erwärmung bei. Neue Technologien sollen das ändern

Der vergangene Juli war der heißeste aufgezeichnete Monat in der Geschichte der Menschheit. Hitzewellen brachen weltweit Temperaturrekorde und brachten während des Winters auf der Südhalbkugel sogar Sommertemperaturen nach Chile und Argentinien. Es geht um mehr als nur um schweißtreibendes Unbehagen. Starke Hitze ist das tödlichste aller Wetterereignisse; Allein in den USA kommen jedes Jahr mehr Menschen ums Leben als Überschwemmungen, Tornados und Hurrikane zusammen. Da sich der Klimawandel verschlimmert, wird der Zugang zu künstlich gekühlten Räumen schnell zu einer gesundheitlichen Notwendigkeit – und zu einer Frage grundlegender Menschenrechte.

Doch herkömmliche Klimaanlagen haben uns in eine negative Rückkopplungsschleife verwickelt: Je heißer es ist, desto mehr Menschen drehen die Klimaanlage auf – und desto mehr Energie wird verbraucht (und desto mehr Treibhausgase werden ausgestoßen). „Wir befinden uns in einem Teufelskreis“, sagt Nicole Miranda, Ingenieurin, die an der Universität Oxford nachhaltige Kühlung erforscht. Und „es ist nicht nur ein Teufelskreis, sondern er beschleunigt sich.“ Laut Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) aus dem Jahr 2018 ist die Kühlung die am schnellsten wachsende Einzelenergiequelle in Gebäuden. Basierend auf einem Business-as-usual-Szenario prognostiziert die IEA, dass sich der weltweite jährliche Energiebedarf aus der Kühlung bis 2050 mehr als verdreifachen wird. Das ist ein Anstieg von mehr als 4.000 Terawattstunden, was ungefähr dem Energieverbrauch der gesamten USA in einem Jahr entspricht .

Es wird immer klarer, dass der Mensch dem Klimawandel nicht mit der gleichen Klimaanlagentechnologie entkommen kann, die wir seit fast einem Jahrhundert nutzen. Um den Kreislauf zu durchbrechen, sind neue Innovationen erforderlich, die dazu beitragen, mehr Menschen mit kühlerer Luft zu versorgen und die Umwelt weniger zu belasten.

Ein bekanntes Problem aktueller Wechselstromsysteme ist ihre Abhängigkeit von Kältemitteln, von denen viele starke Treibhausgase sind. Einige Projekte zielen darauf ab, diese Stoffe durch weniger schädliche Kühlmittel zu ersetzen – aber selbst wenn dies der Fall wäre, machen die Kältemittel nur einen Bruchteil der Klimabelastung durch Klimaanlagen aus. Etwa 80 Prozent der klimaschädlichen Emissionen einer Standard-Klimaanlage stammen derzeit aus der Energie, die zu ihrem Betrieb verwendet wird, sagt Nihar Shah, Direktor des Global Cooling Efficiency Program am Lawrence Berkeley National Laboratory. Laut Shah wurde in jüngster Zeit viel daran gearbeitet, die Energieeffizienz von Kompressoren und Wärmetauschern zu steigern, die Teil von Standard-Klimaanlagenkonstruktionen sind. Ehrgeizigere Projekte zielen jedoch darauf ab, den Arbeitsaufwand, den diese Komponenten überhaupt leisten müssen, zu reduzieren.

Herkömmliche Klimaanlagen kühlen und entfeuchten gleichzeitig über einen relativ ineffizienten Mechanismus: Um Wasser aus der Luft zu kondensieren, unterkühlen sie laut Shah die Luft über den Komfortpunkt hinaus. Viele neue Designs trennen daher die Entfeuchtungs- und Kühlprozesse, wodurch eine Unterkühlung vermieden wird.

Beispielsweise entziehen einige neuere Klimaanlagen der Luft mithilfe von Trockenmitteln Feuchtigkeit (ähnlich dem Kieselgel in den Packungen, die Sie möglicherweise in einer Tüte Trockenfleisch oder einer Pillenflasche finden). Die getrocknete Luft kann dann auf eine angemessenere Temperatur abgekühlt werden. Dieser Prozess kann etwas zusätzliche Energie erfordern, da das Trockenmittel durch Wärme „aufgeladen“ werden muss. Aber einige Unternehmen, darunter das in Somerville, Massachusetts, ansässige Start-up-Unternehmen Transaera, recyceln die beim Kühlprozess erzeugte Wärme, um das Trockenmittel wieder aufzuladen. Transaera behauptet, dass das von ihm entwickelte System 35 Prozent weniger Energie verbrauchen könnte als ein durchschnittliches Standard-Wechselstromgerät.

Noch größere Effizienzgewinne sind möglich, wenn die Entfeuchtung mit der Verdunstungskühlung kombiniert wird, wodurch der energieintensive Prozess namens Dampfkompression ganz entfällt. Die Dampfkompression – das System, nach dem herkömmliche Klimaanlagen funktionieren – bewegt ein Kältemittel durch einen Kreislauf, in dem es unterschiedlich kondensiert und expandiert wird, sodass es Wärme von innen aufnehmen und diese Wärme nach außen abgeben kann. Im Gegensatz dazu ist die Verdunstungskühlung ein einfacherer Prozess. Es ist derselbe Effekt, durch den das Schwitzen unsere Haut kühlt: Wenn Wasser vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand übergeht, nimmt es Wärme auf. Auf die gleiche Weise funktionieren Sumpfkühler, DIY-Geräte, bei denen ein Ventilator Luft über Eis bläst. Und in trockenen Klimazonen nutzen die Menschen seit Tausenden von Jahren Verdunstungskühlung. Im alten Iran beispielsweise konstruierten die Menschen Yakhchāls – große, kegelförmige Lehmkonstruktionen mit Solarschornsteinen –, die die Luftzirkulation und die Verdunstung des angrenzenden Wassers nutzten, um die Temperaturen so weit zu senken, dass sie im Winter Eis herstellen und es den ganzen Sommer über lagern konnten.

Aber diese Strategie erhöht auch die Luftfeuchtigkeit, sodass sie als Kühlsystem tendenziell nur dann funktioniert, wenn das Wetter heiß und trocken ist; Steigt die Luftfeuchtigkeit über einen bestimmten Wert, wird der Komfortgewinn durch eine niedrigere Temperatur zunichte gemacht. Um dieses Problem zu lösen, haben Forschungsgruppen, darunter das cSNAP-Team der Harvard University, Wechselstromgeräte entwickelt, die eine hydrophobe Barriere verwenden, um Verdunstungskühlung durchzuführen und gleichzeitig die Feuchtigkeit zurückzuhalten. Als Bonus sind Kältemittel – bei denen es sich oft um Treibhausgase handelt, die um ein Vielfaches stärker sind als Kohlendioxid – überhaupt nicht beteiligt. „Wir erwarten, eine um 75 Prozent energieeffizientere Klimaanlage bereitzustellen“, sagt Jonathan Grinham, Assistenzprofessor für Architektur an der Harvard University und einer der führenden Designer von cSNAP.

Unterdessen testet das in Florida ansässige Unternehmen Blue Frontier ein kommerzielles Klimaanlagensystem, das sowohl auf einem Trockenmittel (in diesem Fall einer flüssigen Salzlösung) als auch auf Verdunstungskühlung basiert. Dieses Design trocknet die Luft und teilt sie dann in zwei benachbarte Ströme auf, erklärt der CEO des Unternehmens, Daniel Betts. Die Luft in einem Strom wird durch die Wiederzufuhr von Feuchtigkeit und Verdunstung direkt gekühlt. Der andere Luftstrom wird trocken gehalten und gekühlt, indem er über eine dünne Aluminiumwand geleitet wird, die die Kälte – aber nicht die Feuchtigkeit – aus dem ersten Luftstrom ansaugt. Das flüssige Salz-Trockenmittel durchläuft dann ein Wärmepumpensystem, um wieder aufgeladen zu werden. Um die Effizienz zu maximieren, kann die Wärmepumpe nachts betrieben werden, wenn das Stromnetz am wenigsten belastet ist, und das Trockenmittel kann dann für den Einsatz in der heißesten Zeit des Tages gespeichert werden. Basierend auf den Feldversuchen des Unternehmens „rechnen wir mit einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 50 bis 90 Prozent“, behauptet Betts.

Aber Blue Frontier, cSNAP und Transaera müssen noch von der Testphase auf den Markt kommen. Alle drei Gruppen gehen davon aus, dass die kommerzielle Markteinführung noch mindestens ein paar Jahre entfernt sein wird. Und selbst dann wird es Hindernisse geben, die verhindern könnten, dass die neuen Systeme herkömmliche Klimaanlagen ersetzen. Dazu gehören relativ höhere Herstellungs- und Installationskosten, die Trägheit der Branche und Richtlinien, die Anreize für billige Systeme gegenüber effizienten Systemen schaffen.

Selbst mit einigen der besten verfügbaren Technologien reichen die Effizienzgewinne allein möglicherweise nicht aus, um den allgemein erwarteten Anstieg der Nutzung von Klimaanlagen auszugleichen. Im Best-Case-Modell prognostiziert die IEA, dass die weltweite Kühlung aufgrund der steigenden Nachfrage in den nächsten 25 Jahren 50 Prozent mehr Energie benötigen wird, sagt Shah. Es wird nicht funktionieren, einfach jede vorhandene Klimaanlage durch ein besseres Modell zu ersetzen und Schluss zu machen. Stattdessen muss eine wirklich kühlere Zukunft andere, passive Strategien anwenden, die auf Stadtplanung und Gebäudedesign basieren, um den Kühlbedarf von vornherein zu minimieren. Laut Shah und Miranda sind es von entscheidender Bedeutung, Grünflächen und Gewässer in die Stadtlandschaft zu bringen, Fenster zu beschatten, neue Gebäude so zu positionieren, dass sie den natürlichen Luftstrom nutzen, und Gebäude mit besserer Isolierung und reflektierenden Paneelen nachzurüsten, die Wärme in den Weltraum leiten können.

„Kühlung ist eine vielschichtige Herausforderung“, sagt Sneha Sachar, Expertin für Energieeffizienz bei der gemeinnützigen Organisation ClimateWorks. „Es gibt nicht die eine Strategie oder die eine Antwort.“ Wir brauchen eine Kombination aus besseren Gebäuden und Städten, besserer Technologie und einem besseren Verständnis dafür, dass die tatsächlichen Kosten der Klimaanlage über die Stromrechnung hinausgehen. „Was wir in einem Teil der Welt tun, wirkt sich auf die gesamte globale Umwelt aus“, sagt Sachar.

Lauren Leffer ist Tech Reporting Fellow bei Scientific American. Zuvor befasste sie sich mit Umweltthemen, Wissenschaft und Gesundheit. Folgen Sie ihr auf Twitter @lauren_leffer

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