Die Strompreise klettern weiter in die Höhe. Doch wo lässt sich Energie einsparen? Eine Möglichkeit liegt in der Kühlung: An schwülen Tagen schalten viele Menschen ihre Klimaanlagen ein, allerdings verschlingen diese Geräte viel Energie und tragen somit zum CO2-Ausstoß bei, der den Klimawandel antreibt. Ein Teufelskreis?
Forschende des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien (CPM) wollen diesen nun durchbrechen. Sie haben eine programmierbare Hausdämmung entwickelt, die Klimaanlagen künftig ersetzen könnte. „Das Potenzial ist groß: Bis zu 40 Prozent der Kühlenergie lässt sich auf diese Weise einsparen“, sagt Dr. Susanne Lehmann-Brauns, deren Themenfokusgruppe diese und andere Entwicklungen im Fraunhofer CPM vorantreibt.
Adaptiver Schaumstoff
Das Prinzip, das dahintersteckt: Bei Hitze dehnen sich Elemente aus Schaumstoff aus, schließen Lüftungsschlitze zwischen der Hauswand und einer vorgehängten Fassade und schützen das Gebäude so vor dem Aufheizen. Nachts kann frische Luft hinter der Fassade zirkulieren und das Haus effektiv kühlen, weil der Schaum sich zusammenzieht und damit die Lüftungsschlitze wieder aufgehen. „Die Außenhülle des Hauses erkennt also die Temperatur und reagiert entsprechend“, sagt Lehmann-Brauns.
Auf welche Weise der Schaumstoff seine Form ändert und bei welcher Temperatur, lässt sich bei der Herstellung festlegen. Das Besondere daran: Der Vorgang ist reversibel, der Schaum kann seine Poren immer wieder öffnen und schließen. Bei gängigen Formgedächtnisschäumen funktioniert dieser Vorgang nur ein einziges Mal.
Drei Grundbausteine
Doch programmierbare Materialien können noch auf andere Art und Weise beim Thermomanagement helfen. Insbesondere bei schwierigen Fragestellungen kombinieren die Fraunhofer-Forschenden dafür drei Grundbausteine.
Der erste ist die bereits beschriebene programmierbare Dämmung. Der zweite liegt im Transport großer Wärmemengen. Technische Geräte wie Brennstoffzellen geben sehr viel Wärme ab. Steigt die Wärme über die Betriebstemperatur, muss sie abgeführt werden – und zwar in deutlich größeren Mengen, als es über einen Schaum mit schaltbaren Lüftungslöchern möglich wäre. Zwar können Heatpipes große Mengen Wärme transportieren. Allerdings tun sie das unter nahezu allen Bedingungen – sie ziehen auch dann Wärme aus der Brennstoffzelle oder anderen technischen Systemen, wenn dies nicht gewollt ist.
„Unsere Materialien adsorbieren das Wasser und geben es erst bei einer festgelegten Temperatur in der Heatpipe frei. Das heißt: Unterhalb dieser Temperatur ist die Heatpipe ausgeschaltet, oberhalb ist genügend Wasser für den Betrieb vorhanden und kann riesige Wärmemengen transportieren“, erklärt Christian Teicht, stellvertretender Sprecher des Themenfokus. Ein Patent auf diese Entwicklung haben die Forscherinnen und Forscher bereits angemeldet.
Wärmespeicher im E-Auto
Den dritten Baustein macht die programmierbare Wärmespeicherung aus. Denn: Wärme fällt meist zu Zeiten und an Orten an, an denen sie nicht benötigt wird. In einem unterkühlbaren Phasenwechselmaterial lässt sie sich speichern und gezielt wieder freisetzen. Bekannt ist dies etwa von Taschenwärmern, die durch ein Knickplättchen aktiviert werden. Bislang gibt es jedoch nur wenige solcher unterkühlbarer Materialien – und damit auch nur wenige verschiedene Phasenwechseltemperaturen.
„Wir entwickeln daher weitere Materialien, die sich deutlich unter ihre Schmelztemperatur unterkühlen und ganz gezielt aktivieren lassen, sodass sie ihre Wärme freisetzen“, sagt Teicht. Ein Anwendungsbeispiel sind Batterien, die natürlichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, etwa im Elektroauto. Überschüssige Wärme, die beim Laden und beim Betrieb der Batterie entsteht, kann in den schaltbaren Materialien gespeichert werden. Die Batterie wird somit effektiv vor Überhitzung geschützt.
Zudem lässt sich die Wärme über einen nahezu beliebigen Zeitraum verlustfrei speichern, da sich das programmierbare Material im aufgeladenen Zustand auf Umgebungstemperatur abkühlen lässt. Bei Bedarf, etwa bei einem „Kaltstart“ der Batterie, kann die Wärme durch eine gezielte Aktivierung des Materials wieder freigegeben werden.
