Der schon im 19. Jahrhundert vom gleichnamigen Wissenschaftler beschriebene Carnot-Prozess mit seinen Stufen Verdampfen, Verdichten, Verflüssigen und Expandieren liegt Kältemaschinen und Wärmepumpen zugrunde. Ein kritischer Punkt ist das Kälte- beziehungsweise Wärmemittel, das diese Schritte durchläuft.
Früher wurden ozonschädliche FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe) verwendet, deren Ersatzmittel teilweise hohes klimaschädliches Potenzial haben. Nun ist dem Startup Efficient Energy aus Feldkirchen bei München nach eigenen Angaben gelungen, ein nach dem Carnot-Prinzip funktionierendes, serienreifes Kälte- oder Wärmeerzeugungsaggregat zu entwickeln, das als Kältemittel einfaches Leitungswasser verwendet und damit weder giftig noch klima- oder ozonschädlich ist.
Seit 2006 arbeitet die Firma, die inzwischen über 50 Mitarbeiter beschäftigt, an der Umsetzung der Idee. Ursprünglich sollte eine effiziente Wärmepumpe für Häuser entstehen, doch „der Markt ist derzeit noch nicht so attraktiv“, meint Geschäftsführer Dr. Klaus Feix. Steige hier die Nachfrage, könne das Startup jederzeit reagieren, das unter anderem vom Family Office Strüngmann (ehemals Eigner des Arzneimittelfabrikanten Hexal) finanziert wird. Vorläufig bevorzuge er den boomenden Markt der Rechenzentren.
Inzwischen ist die Serienreife erreicht, und mit dem Kältespezialisten Stulz, dessen Kernmarkt die Klimatisierung von Rechenzentren ist, gibt es bereits einen renommierten Kooperationspartner. „Stulz bringt im nächsten Jahr eine Produktreihe auf den Markt, die unsere Lösung integriert“, verkündet Feix. Weitere sollen bald folgen. Von dem Kühlaggregat eChiller45 mit 45 kW Kälteleistung bei einer Temperaturspreizung von 6 °C (22 °C/16 °C) könnten im ersten Jahr 200 bis 300 Stück abgesetzt werden, spekuliert Feix. Andere Gerätegrößen sind vorgesehen, wobei aufgrund der Prozesseigenheiten eine Minimalleistung von 5 kW nötig ist. Die Aggregate lassen sich seriell und parallel schalten, sodass beliebige Leistungen realisierbar sind. Zudem ist jedes Aggregat als Wärme- oder Kälteerzeuger zu verwenden. „Preise können wir nicht nennen, weil die Lösung vorläufig vor allem als Systemkomponente installiert werden wird“, sagt Feix. Er rechnet aber mit Amortisationsdauern von drei Jahren bei einer geplanten Standzeit von fünf und mehr Jahren.
Funktionsweise des Kälteaggregats
Wie funktioniert die Lösung? Ihren Kern bildet ein geschlossenes System, in dem Wasser die vier Stufen des Carnot-Prozesses durchläuft. Dabei ist das Aggregat selbst in eine „kalte“ und eine „warme“ Seite unterteilt, die wiederum über die Druckkammern miteinander verbunden und gleichzeitig voneinander getrennt sind.
In die Außenwelt führen zwei Wärmetauscher – einer führt zur warmen, der andere zur kalten Seite hin. Zum Betrieb braucht das 45-kW-Gerät, in dem drei zylindrische, miteinander verrohrte Carnot-Kreislaufmodule stecken, rund 65 l Wasser. Die Verbindung der Module gehört zu den patentierten Elementen. Wasser wird einmalig bei Inbetriebnahme eingefüllt. „Kalk und sonstige Rückstände setzen sich beim erstmaligen Verdampfen des Wassers am Boden ab und bleiben einfach dort liegen“, erklärt Feix, weshalb das Modul kein destilliertes Wasser braucht.
Zum Verdampfen bei niedrigen Temperaturen wird das Wasser einem sogenannten Grobvakuum (< 20 mbar) ausgesetzt. Laut Efficient Energy lässt sich der Siedepunkt bis auf 5 °C absenken. Der Dampf steigt nach oben in den Trichter des schmierstoffrei gelagerten Radialverdichters „ctTurbo“ (siehe Abbildung oben), der ihn um das Dreifache komprimiert und damit auf rund 70 °C erhitzt. Der Dampf wird anschließend mittels einer „Regendusche“ kondensiert (Verflüssigen) und gibt so seine Energie ab. Das dadurch erwärmte Wasser wird am Wärmetauscher zur Außenwelt vorbeigeführt. Dort überträgt es seine Wärme an ein Medium zur Rückkühlung oder zur weiteren Nutzung.
Herausforderungen der Kühltechnologie
„Für die Pumpen mussten wir einen völlig neuen, hocheffizienten Elektromotor entwickeln, der in der feuchtwarmen Umgebung arbeiten kann“, erklärt Feix eine der Herausforderungen des Projekts. Eine weitere waren die Rotorflügel des Verdichters. Sie mussten hochstabil, aber gleichzeitig am äußeren Ende des Flügels sehr dünn sein. Der Verdichter hat jetzt einen Durchmesser von rund 13 cm. Die Flügel des Rotors, gefertigt aus CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff) oder aus Aluminium, sind am inneren Ende 2 cm, am äußeren lediglich 0,6 mm dick. Sie schaffen bis zu 88.000 Umdrehungen pro Minute. Dies ist möglich, da sich der Rotor im Dampf fast ohne Widerstand dreht. Die Verlustleistung beträgt so nur ein Prozent. Dies ist neben dem innovativen Motordesign einer der Gründe für die hohe Effizienz des Systems, das beim Einsatz nach Daten des Herstellers auf Arbeitszahlen besser 8,5 kommen kann, also achtmal so viel Kälte oder Wärme liefert wie es Energie aufnimmt. Bei Erdwärmepumpen sind heute Arbeitszahlen von 4 üblich.
Kompressor läuft nur bei Bedarf
Für den Einsatz in Rechenzentren hat die Lösung den Vorteil, dass sich Verdampfer- und Verdichterstufe getrennt betreiben lassen. Denn Wasser als Kühlmittel erfordert keinen kontinuierlichen Kompressorbetrieb, deshalb kann der Verdichter, wenn die Temperaturen für die Freikühlung reichen, einfach abgeschaltet werden. Normale Kühlsysteme müssen dagegen den Kompressor ständig auf niedriger Stufe laufen lassen, damit das Kühlmittel betriebsfähig bleibt.
