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Im Winter ist Abkühlung einfach zu haben: ein Schwimmer in einem See von Shenyang, China.

Klimawandel

Auf der Suche nach Kälte

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Der Sommer hat einen Vorgeschmack geliefert. Es wird für die Menschen immer heißer auf der Erde. Forscher suchen längst nach Lösungen, die für Abkühlung sorgen.

Mehr als 30 Grad am Polarkreis. In vielen Regionen Deutschlands so viele Sommertage wie noch nie. Temperaturabweichungen nach oben in ganz Europa. Die Monate von April bis Ende August lieferten einen Vorgeschmack auf den Klimawandel. Viele Menschen suchten nach Wegen, ihre Umgebung zu kühlen, und fanden eine einfache Lösung für ihr Hitze-Problem: Kühlgeräte.

Fatih Birol, Direktor der Internationalen Energieagentur (IEA), warnt: Bis 2050 werde der Energiebedarf für Klimaanlagen „raketenartig“ in die Höhe schießen. Zum Klimawandel hinzu kommen Bevölkerungswachstum und wachsender Wohlstand in riesigen Ländern wie China oder Indien, wo die Bereitschaft groß sein wird, in Geräte zu investieren, die für Abkühlung sorgen.

Die IEA geht davon aus, dass sich der Energiehunger zur Erzeugung von Kälte für Wohn- und Bürogebäude in den nächsten drei Jahrzehnten mehr als verdreifachen wird. Der Weltklimarat prognostiziert, dass im Jahr 2100 die Menschheit 30-mal so viel Energie für Kühlung aufwenden wird wie im Jahr 2000. Dieser riesige Bedarf sei weder mit den bestehenden Stromnetzen noch mit herkömmlichen Energieträgern zu stemmen, heißt es beim Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Dort wird an Lösungen geforscht, wie eine bislang stark vernachlässigte natürliche Ressource zum Kühlen genutzt werden kann: die wasserführenden Schichten im Untergrund.

Unterirdische Speicher sollen Kälte spenden

Bei den sogenannten Aquiferen handelt es sich im Grunde um gigantische Badewannen, in denen Wasser kaum oder gar nicht fließt. Das kühlende Nass aus der Tiefe wird zu einem Wohngebiet oder einem Einkaufszentrum gepumpt. Über Wärmetauscher und Leitungssysteme wird die Kälte in Wohnungen und Geschäfte geleitet. Das Grundwasser selbst fließt wieder in den Untergrund zurück. Nach diesem Prinzip wird auch das Reichstagsgebäude gekühlt.

KIT-Forscher studieren indes die Funktionsweise der Aquiferspeicher im Bonner Bogen nahe des Rheins. „Die Kälteversorgung für ein Hotel und zwei Bürokomplexe kann komplett über diesen Speicher gewährleistet werden“, erläutert KIT-Wissenschaftler Paul Fleuchaus. Weltweit gibt es etwa 3000 solcher Anlagen, davon 90 Prozent in den Niederlanden. Sie lassen sich wirtschaftlich nur in großtechnischen Dimensionen betreiben. Aber die Investitionen machten sich nach zwei bis maximal zehn Jahren bezahlt, so der KIT-Forscher.

Kein Allheilmittel für den Klimawandel

Die nötigen geologischen Verhältnisse gebe es in „allen Industrieländern und natürlich auch in China“. Auch hierzulande bestehe großes Potenzial. Fleuchaus räumt aber auch ein, dass das Anzapfen der unterirdischen Speicher nicht das Allheilmittel sein kann, um die „Kälte-Klemme“ zu vermeiden, vor der die IEA warnt. In Dubai etwa oder in anderen sehr heißen Gegenden sei Grundwasser erstens zu warm und zweitens zu rar für Kühlkonzepte.

Das zeigt, es braucht ein Zusammenspiel verschiedener Lösungen. Auch mit solarthermischen Anlagen, obwohl diese eigentlich für das Erzeugen von warmem Wasser entwickelt wurden. Das funktioniert so: Das Herzstück einer konventionellen Klimaanlage ist ein elektrisch betriebener Kompressor, der in einem geschlossenen Kreislauf ein Kühlmittel zu einem heißen Gas verdichtet, das dann mittels Kondensation verflüssigt wird, um es schließlich mit einem Ventil zu verdampfen.

Das Kühlmittel nimmt die Wärme der Umgebung auf und fließt zum Kompressor zurück. Dieser kann ersetzt werden, indem das Kühlmittel von einer zweiten Substanz (Wasser oder Salz) absorbiert wird. Daraus wird mit der Wärme einer solarthermischen Anlage ein heißes Gas erzeugt, das in den gängigen Kühlkreislauf eingespeist wird. Der Vorteil: Im Vergleich zu einem konventionellen Klimagerät kann der Energiebedarf um bis zu 90 Prozent reduziert werden. Doch dafür kostet so eine Apparatur das Vier- bis Fünffache.

Solarthermie und Photovoltaik

Anhänger der Solarthermie hoffen nun vor allem auf Skaleneffekte, also darauf, dass mit einer wachsenden Zahl von Anlagen die Kosten für die Komponenten deutlich sinken werden. Das gilt natürlich auch für die Photovoltaik, die ebenfalls von der glücklichen Korrelation profitiert, dass die Sonne als Verursacher der Hitze genutzt wird, um es den Menschen frischer zu machen.

Dabei ruhen große Hoffnungen auf organischen Solarzellen, die Kohlenstoffverbindungen statt Silizium einsetzen, um Licht in elektrische Energie zu verwandeln. Das macht Zellen möglich, die so dünn und flexibel wie eine Plastikfolie sind. Plausibel wäre, solche Zellen auf Außenjalousien oder Fassaden anzubringen, um Strom für Klimaanlagen zu erzeugen. Die technologischen Entwicklungen sind jedenfalls rasant.

Wissenschaftler bemühen sich mit großem Eifer, den bislang geringen Wirkungsgrad der organischen Zellen von bislang bestenfalls 14 Prozent zu steigern. Forscher von der Nankai-Universität im chinesischen Tianjin etwa haben kürzlich einen Prototyp präsentiert, der mehr als 17 Prozent schafft. Als Ziel haben sie sich 25 Prozent vorgenommen, was aktuellen Hochleistungszellen aus Silizium entspricht.

Kühlkonzept muss nicht immer Hightech sein

Doch es muss nicht immer Hightech sein. So sieht Veit Bürger vom Öko-Institut auch Architekten und Stadtplaner in der Pflicht. Beim Erstellen von Bebauungsplänen etwa müsse bedacht werden, Gebäude so auszurichten, dass das Kühlen erleichtert werde. Zu den ganz simplen Vorkehrungen gehörten große Dachüberstände, die viel Schatten spenden. Und das Architekturbüro Woha in Singapur hat in dem asiatischen Stadtstaat, wo es das ganze Jahr über tagsüber mehr als 30 Grad heiß ist, Hochhäuser gebaut, die mit begrünten Plateaus (Sky Parks) besetzt sind. Bäume und Sträucher spenden Schatten und kühlen die Innenräume. Die Woha-Konzepte haben längst international für Furore gesorgt.

Auch bei bestehenden Gebäuden ist einiges drin. Das Öko-Institut hat schon 2016 in einer Studie für das Umweltbundesamt darauf hingewiesen, dass „durch die geregelte Öffnung von Fenstern in der Fassade und Öffnungen im Dach mittels Elektromotoren“ Luftzirkulation und Luftaustausch angeregt werden, ohne Ventilatoren zu benötigen. Kommen Wärmeschutzglas, Jalousien, Rollläden und Markisen hinzu, könne durch die automatisierte Lüftung die benötigte Endenergie zur Kühlung im Vergleich zur konventionellen Klimaanlage um bis zu 60 Prozent reduziert werden.

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