Für die meisten Menschen sind Kühlschrankmagneten nur jene bunten Mitbringsel aus dem Urlaub, mit denen sie Postkarten und Einkaufszettel an die Tür ihres Eisschranks heften. Für Alessandro Pastore aber sind sie eine Innovation, die die Welt verändern soll.
Der Chef des britischen Startups Camfridge will eine gänzlich neue Kühltechnik etablieren. Sie ist deutlich effizienter als die gängigen Kompressoren, die seit 180 Jahren in Kühlschränken verbaut werden und die sich technisch kaum noch optimieren lassen. Die Schlüsselrolle spielt dabei ein Magnet. Das klingt nach Esoterik – doch dahinter stecken wegweisende Durchbrüche in Physik und Materialforschung.
Pastore ist alles andere als ein Spinner. Inzwischen ist der Mittvierziger so etwas wie ein Star der Branche. Hausgerätehersteller wie der US-Konzern Whirlpool testen seine Technik bereits in ihren Geräten.
Neues Verfahren
Mit einem Prototyp präsentiert der Gründer derzeit auf Messen und Kongressen sein neues Verfahren. Von außen sieht das Gerät aus wie jeder andere Kühlschrank auch. Die Innovation verbirgt sich auf seiner Rückseite: Wo sonst ein Kompressor und ein Gitter aus feinen Rohren sitzen, durch die ein chemisches Kältemittel fließt, ist bei Pastores Froster ein Magnet montiert. Der ähnelt in Größe und Form einem halbierten Gugelhupf-Kuchen. In seiner Mitte dreht sich ein kleiner Rotor aus einem Spezialmaterial, der dank eines physikalischen Effekts Kälte erzeugt.
Die neue Magnettechnik hat mehrere bahnbrechende Vorteile: Sie macht Kühlschränke sehr effizient – ihr Stromverbrauch unterbietet künftig die heute sparsamste Effizienzklasse A+++ noch einmal um 20 Prozent. „Es wird eine A++++-Kategorie geben“, ist Pastore überzeugt.
Zudem kommt die innovative Technik ganz ohne herkömmliche Kältemittel wie etwa fluorierte Kohlenwasserstoffe aus. Die greifen die Ozonschicht an und tragen zur Erderwärmung bei, wenn sie in die Atmosphäre gelangen.
Obendrein funktionieren die Geräte geräuschlos, da sie ohne brummenden Kompressor auskommen. Sogar ganz neue Bauformen – etwa Kommoden mit kalten und warmen Schubladen – werden möglich.
Wie sich der Energiebedarf für Kältetechnik in Deutschland aufteilt
Der Jahresverbrauch an Primärenergie für Kältetechnik beträgt 85 Terawattstunden (TWh).
(Quelle: VDMA, Stand: 2009)
Sechs Prozent der 85 Terrawattstunden Energiebedarf für Kältetechnik werden im Gewerbe benötigt.
Die deutsche Industrie (ohne Nahrungsmittelindustrie) verbraucht zwölf Prozent der jährlich für Kühltechnik in Deutschland gebrauchten Primärenergie.
Klimaanlagen sind Stromfresser: Nach den Kühl- und Gefrierschränken bilden sie die nach dem Stromverbrauch zweitgrößte Gruppe der Kühltechnik-Geräte. 27 Prozent machen Klimaanlagen vom jährlichen Gesamtverbrauch in der Kältetechnik aus. Zusammen mit den Kühl- und Gefrierschränken verbrauchen Klimaanlagen knapp über die Hälfte der Primärenergie, die im Jahr für Kühltechnik in Deutschland genutzt wird.
Kühl- und Gefrierschränke machen mit 28 Prozent des gesamten Primärenergieverbauchs in der Kältetechnik den größten Einzelposten aus. Das heißt, 28 Prozent der 85 Terawattstunden, die in Deutschland in der Kältetechnik im Jahr verbraucht werden, fallen auf Kühl- und Gefrierschränke zurück.
Auch energieintensiv: Nahrungsmittelherstellung. Immerhin acht Prozent des Jahresverbrauchs an Primärenergie in der Kältetechnik entsteht durch die Herstellung und Verarbeitung von Nahrungsmitteln.
Supermarktkühltheken verbrauchen im Jahr in Deutschland etwas über acht Terawattstunden. Das sind zehn Prozent des Gesamtprimärenergiebedarfs für Kältetechnik in Deutschland im Jahr.
Wärmepumpen tauchen auch in der Statistik über den Verbrauch von Energie für Kühltechnik auf. Drei Prozent der Primärenergie in dieser Sparte werden für die Nutzung von Wärmepumpen gebraucht.
"Sonstige Geräte" verbrauchen weitere sechs Prozent des jährlichen Gesamtprimärenergiebedarfs in der Kühltechnik.
Gewaltiges Umsatzpotenzial
Das Umsatzpotenzial der neuen Technik ist gewaltig: Der Weltmarkt für Klimaanlagen umfasste 2011 immerhin 88 Milliarden Dollar, hat das britische Beratungsunternehmen BSRIA errechnet. Allein deutsche Verbraucher kauften ein Jahr zuvor Kühlgeräte im Wert von rund 1,4 Milliarden Euro, ermittelte der Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie.
Der milliardenschweren Branche steht nun eine Zeit der Innovationen bevor. Denn inzwischen haben fast alle großen Hausgerätehersteller das Potenzial der Technik erkannt und testen sie in ihren Laboren – darunter Weltmarktführer Haier aus China oder der japanische Elektronikkonzern Toshiba. Mehr als 40 Prototypen haben Branchenexperten gezählt.
Und in ersten Nischenprodukten sind Magnetaggregate sogar schon im Realeinsatz: Das US-Technologieunternehmen Astronautics etwa konstruiert magnetische Klimaanlagen für amerikanische U-Boote.
Siegeszug der Magnettechnik
Bis zum großen Durchbruch soll es nicht mehr lange dauern. „Ende 2014 kommen magnetische Kühlschränke für jedermann in den Handel“, kündigt Camfridge-Chef Pastore an. Toshiba will bis Ende des Jahrzehnts sogar eine ganze Produktpalette mit der Magnetkühlung präsentieren – darunter Getränkeautomaten oder geräuschlose Minibars für Hotelzimmer.
Auch Hersteller von Klimaanlagen wie Delta Electronics aus Taiwan oder Embraco aus Brasilien sind an der neuen Methode interessiert. Und Autoriesen wie Fiat und Nissan wollen mit der Technologie den Spritverbrauch von klimatisierten Autos senken.
So funktioniert die Magnetkühlung
Auf der Rückseite seines neuartigen Kühlschranks hat das britische Startup Camfridge einen Magneten in Form eines halben Gugelhupfs montiert. Darin dreht sich ein kleiner Rotorstab.
Der Stab in der Größe eines Einwegfeuerzeuges besteht aus magnetokalorischem Material. Es erwärmt sich, wenn es in ein Magnetfeld eintritt. Wenn es wieder austritt, kühlt es sich ab.
Einmal pro Sekunde rotiert der Stab durch das Magnetfeld. Die dabei entstehende Kälte wird mithilfe von Wasser oder Luft abgeleitet und in den Innenraum des Kühlschranks transportiert.
Magnetaggregate
Binnen weniger Jahre „wird die Magnetkühlung die Kompressortechnik heutiger Geräte verdrängen“, prophezeit der Physiker Karl Sandeman vom Imperial College in London. Damit werden Magnetaggregate die Kühltechnik schon bald genauso radikal wandeln wie das LCD-Display die Fernsehwelt.
Die Chancen für eine eisige Revolution stehen damit gut, denn die gesamte Branche steht unter einem enormen Innovationsdruck. So fordern Gesetze in Europa, den USA und Teilen Asiens immer sparsamere Geräte.
Immerhin verbrauchen die westlichen Industrienationen heute rund 15 Prozent ihres Stroms für die Kälteproduktion. In Deutschland etwa reichte der Energieverbrauch aller elektrischen Kühlgeräte aus, um mehr als 20 Millionen Haushalte zu versorgen.
Umweltrisiken durch Kältemittel
Doch damit soll Schluss sein: Kühl- und Gefriergeräte der veralteten Energieklasse A dürfen bereits seit Mitte 2012 in der EU nicht mehr verkauft werden. Mehr noch: Schritt für Schritt verbietet die EU die bisher verwendeten Kältemittel wegen der damit verbundenen Umweltrisiken.
Schon seit 1995 sind deshalb Fluorchlorkohlenwasserstoffe in der EU nicht mehr erlaubt. Inzwischen darf auch das Kältemittel R134a in Klimaanlagen von Neuwagen nicht mehr verwendet werden. Ab 2020 dürfen die Industrienationen entsprechend des internationalen Montreal-Protokolls dann gar keine fluorierten Kältemittel mehr einsetzen.
Genügsame Kühltruhen
Angesichts der verschärften Auflagen gerät die Kompressortechnik an ihre Grenzen. Denn auch die Alternativstoffe der derzeitigen chemischen Kühlmittel haben gravierende Nachteile: Ammoniak etwa ist giftig, und Butan entzündet sich leicht. Zudem sind die Sparpotenziale der Kompressoren nahezu ausgereizt.
Die aktuell beste Energieklasse A+++ lässt sich nur noch mit aufwendigen Einbauten erreichen, die sehr teuer sind, leicht zerbrechen und den Herstellern ein Dorn im Auge sind, weil sie dafür ihre Produktionsstraßen umrüsten müssen.
Die Kälteindustrie steckt in einer Zwickmühle: „Lediglich eine fundamental neue Technik kann den erforderlichen Sprung in der Energieeffizienz bringen“, sagt der Londoner Physiker Sandeman.
Sparsamer und preiswerter
Die Magnetkühlung könnte genau das leisten. Sie soll nicht nur sparsamer werden als alle heutigen Geräte auf dem Markt, sondern auch preiswerter. Bisher kostet die Herstellung eines A+++-Kühlschranks gegenüber einem A++-Modell rund 200 Dollar zusätzlich – Camfridge will diese Mehrkosten mit seiner Technik halbieren.
Verbraucher könnten pro Jahr und Haushalt Stromkosten von 50 Euro und mehr sparen, wenn sie ihre alten Geräte gegen die neue Technik austauschen. Auch Lebensmittelhersteller und der Einzelhandel sind an genügsameren Kühltruhen sehr interessiert. Deshalb etwa forschen auch Nahrungsmittelproduzenten wie Bonduelle aus Frankreich oder der niederländisch-britische Branchenriese Unilever an der innovativen Kältetechnik.
Wo man mit Magnetkühlung sparen könnte
Allein die USA könnten mit Magnetklimaanlagen in Büro- und Wohngebäuden 100 Milliarden Kilowattstunden Strom sparen - so viel wie 100 große Kohlekraftwerke produzieren.
Ein durchschnittlicher Supermarkt könnte mit der neuen Kühltechnik 18.750 Euro im Jahr sparen.
Mithilfe der Magnetkühlung könnte ein Mittelklassewagen 70 Liter Sprit jährlich einsparen. Kostenvorteil: Mehr als 110 Euro.
Ein Haushalt, der einen alten A+-Kühlschrank durch ein A+++-Gerät ersetzt, spart 95 Kilogramm CO2 (oder 46 Euro).
Sparpotenzial
Eine Beispielrechnung zeigt das Sparpotenzial: Die Kühlregale eines typischen Supermarkts verbrauchen laut Zahlen des Handelsverbands Deutschland 250.000 Kilowattstunden Strom im Jahr. Bei Durchschnittskosten von 15 Cent je Kilowattstunde, könnte ein Supermarkt jährlich fast 19.000 Euro sparen, wenn der Einsatz von Magnetkühlung den Verbraucht halbierte.
Auf gleiche Weise wollen die Pharmahersteller oder Rechenzentrumsbetreiber, die empfindliche Arzneien lagern oder ihre Server temperieren müssen, ihre Betriebskosten drastisch senken.
Sie alle möchten sich einen physikalischen Effekt zunutze machen, der in seinen Grundzügen seit 1881 bekannt ist. Damals stellte der deutsche Physiker Emil Warburg fest, dass sich bestimmte Materialien erwärmen, wenn sie in ein Magnetfeld eintreten, und sich wieder abkühlen, wenn sie es verlassen. Experten sprechen vom magnetokalorischen Effekt. Allerdings war das Metall Gadolinium, das Warburg verwendete, so rar und teuer, dass die Magnetkühlung lange Zeit nur ein interessantes Laborexperiment blieb.
Neue Werkstoffe
Das aber änderte sich im vergangenen Jahrzehnt grundlegend, weil Forscher aus China, Japan und den Niederlanden unabhängig voneinander neue magnetokalorische Werkstoffe entdeckten. Wie beim Gadolinium tritt der von Warburg entdeckte Effekt auch bei ihnen schon bei Raumtemperatur auf. Doch ihre Rohstoffe sind besser verfügbar und lassen sich preiswert in großen Mengen weiter verarbeiten.
Um damit einen Kühlschrank zu betreiben, entwickelten die Camfridge-Forscher einen Rotor, der in Form und Größe einem Einwegfeuerzeug ähnelt. Im seinem Inneren befinden sich Lamellen aus magnetokalorischem Material. Eingebettet in einen Dauermagneten an der Rückseite des Schranks, dreht sich der Rotor etwa einmal pro Sekunde wie ein Propeller.
Kälte und Wärme
Die eine Rotorhälfte taucht bei jeder Drehung in das Feld des Magneten ein und erwärmt sich. Beim Austritt aus dem Kraftfeld sinkt die Temperatur wieder ab. Hausgerätehersteller entwickeln nun Systeme, die die dabei entstehende Wärme ableiten und die Kälte ins Kühlfach transportieren.
Um den Rotor herzustellen, mussten Forscher Verfahren entwickeln, mit denen sich die Spezialwerkstoffe zu hochfesten dünnen Scheiben verarbeiten ließen. Führend ist der Hanauer Magnethersteller Vacuumschmelze. Er backt das magnetokalorische Material bei 1050 Grad und macht daraus bis zu 0,2 Millimeter dünne Plättchen. Die liefert das Unternehmen seit 2007 an rund 20 Kunden weltweit. Auch viele Kühlschrank-Prototypen basieren auf dem Bauteil. „Jetzt stoßen wir an Kapazitätsgrenzen“, sagt der Hanauer Forschungsleiter Matthias Katter. Deshalb bereitet sein Unternehmen nun die industrielle Produktion vor.
Wie teuer?
Wie schnell das gelingt – davon wird auch abhängen, wie teuer die neuen Geräte werden. Spezialisten wie Peter Egolf, Professor für Thermodynamik an der Schweizer Ingenieurhochschule in Yverdon-les-Bains, fürchten, dass die Rohstoffe für die Magneten die neuen Kühlschränke sonst zu teuer machen: „Das werden Rolls-Royce für Ökos“, sagt Egolf. Camfridge-Chef Pastore hält dagegen, sein Startup habe schon ein billigeres Ersatzmaterial gefunden – verrät aber noch nicht, welches.
Auf sinkende Kosten hoffen auch Klimaanlagenhersteller wie Delta Electronics und Embraco. Sie forschen an magnetisch betriebenen Geräten, die nur noch halb so viel Strom brauchen wie heutige Modelle. Der Effekt für die Energieversorgung wäre gewaltig: In den USA etwa verursachen Klimaanlagen fünf Prozent des Gesamtstromverbrauchs von vier Billionen Kilowattstunden; das entspricht einem Drittel des gesamten deutschen Stromverbrauchs.
Effizientere Luftkühlung
Und effizientere Luftkühlung ist nicht nur in Bürogebäuden und Wohnhäusern gefragt, sondern auch im Autobau. Denn Wagen mit Klimaanlage verbrauchen im Jahresdurchschnitt 5,4 Prozent mehr Sprit. Das ergab eine Studie der Schweizer Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt.
Heutige Systeme sind so ineffizient, dass sich mit Magnettechnik bis zu 80 Prozent ihres Verbrauchs einsparen ließen, schätzt der niederländische Physiker Ekkes Brück von der Technischen Universität Delft. Besitzer eines Mittelklassewagens wie dem BMW 118i könnten danach bei einer Jahresfahrleistung von 20.000 Kilometern immerhin 70 Liter pro Jahr weniger tanken – und 112 Euro sparen.
Ersatz für klimaschädliche Kältemittel
Spartechnik ist aber nicht der einzige Treiber der Entwicklung – die Hersteller sind auch dringend auf der Suche nach Ersatz für klimaschädliche Kältemittel wie das mittlerweile verbotene R134a. Und auch der weniger treibhauswirksame Ersatzstoff R1234yf bereitet den Autobauern Probleme. Denn die Flüssigkeit kann sich in Autos an den bis zu 400 Grad heißen Motorteilen entzünden. Der Stuttgarter Daimler-Konzern hat das in Tests beobachtet und hält den Einsatz von R1234yf für zu gefährlich. Daimler bleibt deshalb vorerst beim Vorgänger R134a – und nimmt dafür sogar mögliche Strafzahlungen an die Europäische Kommission in Kauf.
Der Zwist könnte bald Geschichte sein. Denn Autohersteller wie Fiat und Nissan forschen inzwischen an Klimaanlagen, die ganz ohne Chemikalien auskommen. Die Herausforderung: „Die Magnetkühlungen für Fahrzeuge müssen noch leichter und kleiner werden“, sagt der Schweizer Experte Egolf. Bisherige Entwürfe nähmen so viel Raum wie ein Computer ein, der unter dem Schreibtisch steht. Egolf hat deshalb einen Bauplan für ein Minisystem entwickelt, das nur so groß ist wie eine Streichholzschachtel. „Die Miniaturisierung“, hofft er, „wird die Magnetkühlung erfolgreich machen.“
Magnetheizung
Zumal es noch eine weitere Entwicklung gibt, die magnetischen Klimaanlagen in Autos zum raschen Durchbruch verhelfen könnte: Wissenschaftler erforschen nämlich, wie sich mit magnetokalorischen Rotoren nicht nur Wärme aus dem Auto herausschaufeln, sondern umgekehrt auch hineintragen lässt.
Eine solche Magnetheizung könnte vor allem einen gravierenden Nachteil moderner Elektroautos ausbügeln. Die E-Mobile müssen bisher im Winter mit Strom aus der Batterie beheizt werden, weil ihr Elektromotor kaum Abwärme erzeugt, die sich in den Innenraum leiten ließe. Die Heizgebläse aber sind extrem ineffizient. Und so kostet ein bisschen Behaglichkeit am Steuer an kalten Tagen bis zu 60 Prozent der Akkuladung. Entsprechend stark sinkt die Reichweite des Autos.
Camfridge arbeitet deshalb jetzt auch an einem doppelt effizienten Kombi-System: Im Sommer soll es kühlen, im Winter wärmen – ganz und gar magnetisch.