Im Hotel Star Sapphire in Dawei, einer Hafenstadt im südlichen Myanmar, schlürfen die Gäste eisgekühlte Getränke aus Kokosnüssen in komfortabel klimatisierten Räumen, während draußen die schwüle tropische Nacht hereinbricht. 7000 Kilometer westlich im Sudan schützt eine Klimaanlage die Patienten im United Nations Hospital in Khartoum vor der Backofenhitze der Wüste.

In beiden Gebäuden sorgen ungewöhnliche Klimaanlagen für die angenehmen Bedingungen: Dunkle Röhren aus Glas wandeln Sonnenstrahlung in kühlende Energie. Dabei handelt sich nicht um die vertrauten Sonnenkollektoren, die aus Sonnenlicht Elektrizität erzeugen. Die Anlagen kühlen vielmehr mit Hilfe der Sonnenwärme und eines raffinierten thermodynamischen Tricks. Für manche Forscher und Energieexperten steckt hinter der solarthermischen Kühlung sogar die Chance, den weltweit rasant wachsenden Energiebedarf für Klimaanlagen aufzufangen – laut Prognose des Weltklimarats IPCC wird die Menschheit im Jahr 2100 30-mal so viel Energie für Kühlung aufwenden wie im Jahr 2000.

Nun könnte sich die solarthermische Technologie einem kritischen Wendepunkt nähern. Die Zahl der Hotels, Einkaufszentren und anderen Gebäuden, die mit derartigen Anlagen ausgestattet sind, wächst. In den letzten zehn Jahren stieg ihre Zahl um das Zehnfache auf inzwischen etwa 1200 Installationen. Nach Aussage der Hersteller verbrauchen sie 30 bis 90 Prozent weniger Energie als konventionelle Klimaanlagen, wobei der genaue Wert von Art und Größe der jeweiligen Installation abhängt. Und die Forscher arbeiten daran, die Systeme noch effizienter und ihre Herstellung kostengünstiger zu machen.

Doch die Technologie steht auch vor Herausforderungen. Viele Experten bezweifeln, dass solarthermische Energie jemals mehr als ein Nischenprodukt sein wird – in einer Welt, in der pro Jahr 100 Millionen neue Klimaanlagen installiert werden, die von elektrisch angetriebenen Kompressoren abhängen. Solarthermische Kühlungen seien einfach zu teuer, sagt Daniel Mugnier, Ingenieur des auf Solartechnik spezialisierten Unternehmens Tescol in Frankreich. Zwar würden die Preise sinken, so Mugnier, aber der Technologie fehlten die Fördergelder und Investitionen, um konkurrenzfähig zu werden. Derzeit würden sie nahezu das Fünffache konventioneller Klimaanlagen kosten.

Kühlen ohne elektrischen Strom

Das ist bedauerlich, denn solarthermische Systeme bieten zahlreiche Vorteile. Sie könnten Spitzen im Strombedarf reduzieren und so helfen, Stromausfälle zu vermeiden, sowie den Bedarf an ökologisch bedenklicheren Energiequellen reduzieren. Zudem sind sie leiser und verwenden typischerweise umweltfreundlichere Kühlmittel. Gerade der letztgenannte Punkt gewann im Oktober 2016 an Bedeutung, als sich mehr als 170 Länder darauf einigten, die in den meisten Klima- und Kühlanlagen verwenden Fluorkohlenwasserstoffe schrittweise vom Markt zu nehmen. Und schließlich: Die Sonnenwärme steht gerade dort in großen Mengen zur Verfügung, wo auch der Bedarf an Kühlung am größten ist. "Es ist geradezu eine Traumhochzeit", so Christos Markides, Sonnenenergieforscher am Imperial College in London.

Der Schlüssel zur Klimatechnik ist die Verdampfung: Kühlung erfolgt, weil eine Flüssigkeit Wärmeenergie der Umgebung aufnimmt und einen Phasenübergang durchläuft, also zu einem Gas verdampft. Auf diese Weise kühlt das Schwitzen unseren Körper. Und so funktioniert auch nahezu jede Klimaanlage, von kleinen Anlagen für einzelne Räume bis hin zu Großanlagen für ganze Gebäudekomplexe.

Moderne elektrische Klimaanlagen pressen das flüssige Kühlmittel durch eine enge Düse in einen größeren Behälter. Das führt zu einem rasanten Sinken des Drucks, deshalb verdampft es schnell und nimmt die Wärme der Luft auf. Das jetzt gasförmige Kühlmittel strömt dann in einen weiteren Behälter, in dem es von einem elektrisch angetriebenen Kompressor verdichtet und so weiter erhitzt wird. Dieses heiße Gas gelangt anschließend in einen Kondensator – häufig eine zu einer Spirale geformte, dünne Röhre –, in der es erneut zu einer Flüssigkeit wird und die dabei frei werdende Wärmeenergie nach außen abgibt. Das nun wieder flüssige Kühlmittel wird dann durch die Düse in den Verdampfer gepresst, und der Zyklus beginnt von vorn.

Zwei Verfahren, gleicher (Kühlungs-)Effekt
© Wes Fernandes/Nature; Lim, X.: Cooling with Heat. In: Nature 542, S. 23-24; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
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Die Verdichtung des Gases sei notwendig, weil eine effektive Abgabe der Wärme nach außen nur möglich ist, wenn das Gas ausreichend heiß ist, bevor es den Kondensator erreicht, erläutert Colin Chia, einer der Gründer des Unternehmens Ecoline in Singapur, das die Klimaanlage des Hotels Star Sapphire entwickelt hat. In elektrisch betriebenen Anlagen geschieht das Komprimieren mechanisch. Doch es gibt eine andere Möglichkeit – nämlich ganz einfach Wärme dafür zu nutzen.

Ideen von der Pariser Weltausstellung

Eine der ersten Klimaanlagen, die diese Möglichkeit verwendeten, wurde auf der Weltausstellung 1878 in Paris präsentiert – sie verbrannte Holz zur Wärmeerzeugung für die Kompression. "Eine fantastische alte Maschine", schwärmt Christian Holter, Chef des Unternehmens SOLID im österreichischen Graz, das auf große solarthermische Kühl- und Heizungsanlagen spezialisiert ist. Die Absorptionskältemaschinen von SOLID nutzen Sonnenwärme, um ein Kühlmittel aus einer Lösung herauszukochen – typischerweise Wasser aus einer Salzlösung oder Ammoniak aus Wasser. Das gasförmige Kühlmittel durchläuft dann – ähnlich wie bei Kompressionsanlagen – die Phasen Kondensation und Verdampfung.

Klimaanlagen mit Kompressoren dominieren den Markt, weil "sie einfach zu kaufen, zu installieren und in Betrieb zu nehmen sind", sagt Holter. Bereits in den 1980er Jahren aber führten erste Bedenken, was die Ozon abbauenden Kühlmittel angeht, zu wachsendem Interesse an thermischen Systemen. Sie konnten sich jedoch nicht durchsetzen, weil sie gegenüber den mit billiger elektrischer Energie betriebenen Anlagen nicht konkurrenzfähig waren und weil ihre Wärmequellen – Biomasse oder Erdgas – schwieriger zu handhaben sind.

Nutzt man jedoch die Wärme der Sonne, so gibt es diese Probleme nicht. In modernen solarthermischen Systemen absorbieren spezielle Kollektorröhren oder -platten die Energie der Sonnenstrahlung und transferieren diese Wärme an eine Absorptionskältemaschine. Bislang hat SOLID große Anlagen in 18 Schulen, Bürogebäuden und Lagerhäusern in zehn Ländern installiert. Eine davon, die bisher größte solarthermische Kühlanlage der Welt, kühlt seit 2014 eine Highschool in Arizona. In diesem US-Bundesstaat macht der Verbrauch der Klimaanlagen gewöhnlich einen signifikanten Anteil der jährlichen Stromrechnung aus.

Sowohl Forscher an Universitäten wie in der Industrie arbeiten daran, die Leistungsfähigkeit der Anlagen auf verschiedenen Wegen weiter zu verbessern. Die meisten Absorptionskältemaschinen, auch die von SOLID, erhitzen das Kühlmittel auf 80 Grad Celsius. Wenn man diese Temperatur auf 120 bis 170 Grad Celsius erhöhen könnte, würde mehr Kühlmittel verdampfen und als Gas in dem System zirkulieren, dadurch wäre es effektiver.

Um das zu erreichen, müssen die Sonnenkollektoren die Sonnenwärme effektiver konzentrieren. Einige spezielle Kollektoren können der Sonne folgen und so Temperaturen von bis zu 400 Grad Celsius erreichen, aber sie sind zu teuer. Um eine billigere Alternative zu entwickeln, versucht ein Team um den Ingenieur Roland Winston an der University of California in Merced, die Kollektorröhren zu optimieren. Die Röhren des Teams enthalten ein spezielles Stück Metall, das die Wärme schnell an eine Glykol-Flüssigkeit in einer inneren Kupferröhre abgibt.

Außerdem platzierte Winstons Team gebogene Folien aus reflektierendem Material unter den äußeren Röhren, um trotz der Bewegung der Sonne über den Himmel mehr Solarenergie einzufangen. Das System kann Glykol auf 200 Grad Celsius erhitzen und wird derzeit mit verschiedenen Kältemaschinen getestet.

Einfacher mit Fotovoltaik?

Andere Teams haben die Absorptionskältemaschinen hinter sich gelassen und entwickeln vollständig neue Systeme. Eine von Stephen White geleitete Gruppe der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) in Australien hat ein Rotationsentfeuchtersystem entwickelt, das seit Juni 2016 ein Einkaufszentrum in Ballarat im Bundesstaat Victoria kühlt. In diesem System strömt die Umgebungsluft zunächst durch ein langsam rotierendes Rad, das ein Feuchtigkeit absorbierendes Material enthält. Die austretende heiße und trockene Luft gelangt in eine Kammer, in der sie Wasser verdampfen lässt und sich dadurch abkühlt. Diese kühle, feuchte Luft wiederum kühlt die Gebäudeluft, die durch separate Röhren geleitet wird. Die feuchte Luft wird dann an die Umgebung abgegeben. Das Feuchtigkeit absorbierende Material in dem rotierenden Rad wiederum wird mit Hilfe von Sonnenenergie getrocknet.

Anlage im australischen Ballarat
© Ian Wilson / CSIRO
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Die übermannshohen Spiegel sammeln die Sonnenwärme für die Klimaanlage ein.

Solche neuen Ideen seien dringend nötig, da Absorptionskältemaschinen teuer und schwierig zu bauen sind, sagt Mike Dennis, unabhängiger Berater für Solarenergie in Canberra. "Sie sind einfach nicht sinnvoll", erklärt er. Es sei einfacher, mit Fotovoltaikanlagen Strom zu erzeugen und damit herkömmliche Kompressor-Klimaanlagen zu betreiben. Die fallenden Preise für Fotovoltaikanlagen machen solche Systeme noch attraktiver. Der Fotovoltaiksektor profitiert inzwischen von der Massenproduktion sowie von erheblichen staatlichen Förderungen und Investitionen, die es im Bereich der Solarthermie nicht gibt, so Mugnier: "Ich befürchte, der Wettbewerb ist unfair."

Eine weitere Herangehensweise ist der Bau von Hybridsystemen, konventionellen elektrischen Kompressor-Anlagen, bei denen Sonnenwärme den Kompressor unterstützt, indem sie das Kühlmittel aufheizt. Ein Beispiel dafür ist die Klimaanlage von Ecoline im Hotel Star Sapphire.

Um das System zu realisieren, hat Chia eine U-förmige Kupferschlinge in jede solare Kollektorröhre eingebaut und diese Kupferröhren in Reihe geschaltet. In diesen Röhren strömendes Glykol transportiert die Wärme rasch in einen Glykoltank. Ein weiterer Satz von Kühlmittel enthaltenden Kupferröhren schlängelt sich durch diesen Tank. Dieses zweite Kühlmittel strömt dann in einen Kompressor – und da es bereits sehr heiß ist, wandelt es sich schneller in ein Gas um als in einem Standardsystem.

Kostensenkung durch Massenproduktion

Das Unternehmen hat mehr als 1000 Klimaanlagen in sechs Ländern installiert. Für Mitte 2018 plant es die Installation einer Klimaanlage in einem Studentenwohnheim an der Nanyang Technological University in Singapur. In Vergleichstests zeigt nach Aussage von Ecoline das neue System gegenüber hocheffizienten Standardanlagen eine Energieersparnis von 35 Prozent. Die Installation des Hybridsystems ist zwar 15 Prozent teurer, aber der Betrieb ist günstiger, so dass sich die zusätzlichen Ausgaben bei den derzeitigen Strompreisen in Singapur innerhalb von zwei Jahren amortisieren, so Chia.

Die Anhänger der neuen Systeme sind zuversichtlich, dass die Kosten signifikant fallen, wenn der Markt für Solarthermie wächst. So wie man in den 1990er Jahren noch hunderte US-Dollar pro Meter für Vakuumröhren zur solaren Wassererwärmung zahlte. Inzwischen gebe es dieselben Röhren für zwei bis drei Dollar, erklärt Winstons Postdoc Lun Jiang. Möglich machten es Massenproduktion und der großflächige Einsatz solcher Systeme in China.

Und noch einen Vorteil hat die thermische Technologie: Anders als die Fotovoltaik kann sie auch Abfallwärme nutzen – überschüssige Wärme aus Städten, Industrieanlagen und Rechenzentren beispielsweise. Ecoline arbeitet bereits mit einem Betreiber von Rechenzentren in Indonesien zusammen, um dessen Anlagen mit der eigenen Abwärme zu kühlen. Und das sei thermisch gesehen der sinnvollste Weg, sagt Chia: "Je wärmer, desto besser."

Dieser Beitrag erschien unter dem Titel "How heat from the Sun can keep us all cool" in "Nature".