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Effiziente Kühlschränke: Neue Wärmespeicher helfen Strom zu sparen

Obwohl der Stromverbrauch von Kühlgeräten gering erscheint, bieten sie aufgrund ihrer ganzjährigen Laufzeit und hohen Verbreitung ein großes Energieeinsparpotenzial. In Deutschland entfallen zirka vier Prozent des gesamten Stromverbrauchs auf Haushaltskühlschränke. Während sich viele Maßnahmen mit einer besseren Isolation befassen, forschen Wissenschaftler des Kompetenzzentrums für nachhaltige Energietechnik (KET) der Uni Paderborn an integrierten Wärmespeichern, um die Energieeffizienz zu steigern.

In den vergangenen Jahren konnte der Stromverbrauch von Haushaltskühlgeräten bereits beträchtlich gesenkt werden – meist durch verbesserte Isolation. Das KET hat nun jedoch spezielle Wärmespeicher auf Basis von Phasenwechselmaterialien (PCM) entwickelt, die besonders effizient und umweltfreundlich sind. Basis des Materials ist der Stoff Paraffin, der sich bei Wärmezufuhr verflüssigt und diese so speichert. Ausschlaggebend für den effizienten Einsatz ist der Einfluss des PCM auf die Wärmeübertragung im Kühlaggregat. Mit diesem kann sowohl die Verflüssigungstemperatur abgesenkt, als auch die Verdampfungstemperatur angehoben werden. Da die Differenz dieser Temperaturen den Energiebedarf des Kühlprozesses bestimmt, ist es mit den neuen Geräten möglich die Energieaufnahme signifikant zu reduzieren.

Fortschrittsmotor Klimaschutz:

  • Entwicklung eines Phasenwechselmaterials als Wärmespeicher
  • Effizienzsteigerung von Kühlschränken bis zu 17 %
  • Verwendung nachwachsender Rohstoffe und Vermeidung raffinierter Paraffine
  • Ermöglichung von Lastmanagement im Smart Grid

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Foto: G. Sonnenrein

Temperaturverteilung am Verflüssiger; oben: vor Beginn der Verdichterlaufzeit, mittig: am Ende der Verdichterlaufzeit, unten: 15 Minuten nach Stopp des Verdichters; Spalte 1: ohne Wärmespeicher, Spalte 2: mit sensiblem Wärmespeicher (Wasser), Spalte 3: mit PCM und PE-HD-Folie, Spalte 4: mit PCM und Aluminium-Verbundfolie, Spalte 5: mit Polymer-Compound.



Neu entwickelter Wärmespeicher mit verbesserten Eigenschaften

Bisher verwendete Wärmespeicher haben häufig Nachteile, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, Auslaufgefahr oder Toxizität. Diese Nachteile standen einer praktischen Anwendung bisher entgegen. Eine innovative Lösung bietet der Wärmespeicher des KET, der auf einer speziellen Zusammensetzung an Stoffen – Paraffinen, Polymeren und Graphiten –  basiert. Die Wärmeleitfähigkeit konnte so um den Faktor 20 erhöht werden. Außerdem verhindert die Formstabilität des hier entwickelten Materials ihr Auslaufen, das bei bisher verwendeten flüssigen Speichermaterialien mit einer aufwändigen Verkapselung des Materials verhindert werden musste.

Bis zu 17 Prozent weniger Energieaufnahme

Eine klassische Kühl-Gefrierkombination verbraucht je nach Ausführung und Größe zirka 150 Kilowattstunden Strom pro Jahr. Durch die Integration der hier entwickelten Wärmespeicher konnte der Energiebedarf von Haushaltskühlgeräten bis zu 17 Prozent reduziert werden. Die Effizienzsteigerung aller Haushaltskühlgeräte in Deutschland (zirka 50 Millionen) um allein zehn Prozent würde eine Energieeinsparung von jährlich mehr als zwei Terrawattstunden Strom – das sind zirka 415.886 Erdumrundungen mit dem Tesla – und damit verbunden von mehr als einer Million Tonnen CO2-Äquivalente bedeuten. Die Technologie ist darüber hinaus auf andere Anwendungen wie zum Beispiel Kühlhäuser oder auch andere Kältemaschinen übertragbar und ermöglicht hier weitere Einsparungen.

Auch die Umwelt profitiert: Bei der Materialentwicklung wurde vollkommen auf teil- und vollraffinierte Paraffine verzichtet, welche in der Produktion sehr energieintensiv sind. Darüber hinaus basieren die hier entwickelten Polymere gänzlich auf nachwachsenden Rohstoffen.

Ermöglichung von Lastmanagement

Neben der Möglichkeit Energie einzusparen, kann durch die große Anzahl an Kühlgeräten im Markt mit Hilfe der Integration des Wärmespeichers auch eine nennenswerte verschiebbare Last für ein zukünftiges intelligentes Netz generiert werden, ohne dass es zu Komforteinbußen für den Nutzer kommt. Die Last könnte so auf Zeiten hohen Stromaufkommens durch Erneuerbare Energien verschoben werden. Mit allen Kühlgeräten in deutschen Haushalten ergibt sich so ein mögliches Leistungspotenzial von zirka 500 Megawatt.


Foto: privat

„Durch Phasenwechselmaterial verbrauchen Kühlschränke weniger Strom und können Energie speichern.“

Prof. Dr.-Ing. habil. Jadran Vrabec, Universität Paderborn



Partner und Förderer


Partner:
  • Universität Paderborn - Kompetenzzentrum für nachhaltige Energietechnik
  • Miele & Cie. KG
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